avalancha de electrones relativistas desbocados

Una avalancha de electrones relativistas desbocados ( RREA , por sus siglas en inglés) es un crecimiento en avalancha de una población de electrones relativistas impulsados ​​a través de un material (típicamente aire) por un campo eléctrico . Se ha planteado la hipótesis de que la RREA está relacionada con la iniciación de rayos , ^{[ 1 ]} destellos de rayos gamma terrestres , ^{[ 2 ]} rayos sprite ^{[ 3 ]} y desarrollo de chispas . ^{[ 4 ]} La RREA es única , ya que puede ocurrir en campos eléctricos un orden de magnitud menores que la rigidez dieléctrica del material.

Cuando se aplica un campo eléctrico a un material, los electrones libres se desplazan lentamente a través de él, según lo describe la movilidad electrónica . Para electrones de baja energía, las velocidades de desplazamiento más rápidas dan lugar a una mayor interacción con las partículas circundantes. Estas interacciones crean una forma de fricción que ralentiza a los electrones. Por lo tanto, en casos de baja energía, las velocidades de los electrones tienden a estabilizarse.

A energías más elevadas, por encima de unos 100 keV , estas colisiones se vuelven menos frecuentes a medida que aumenta el camino libre medio del electrón. Por lo tanto, estos electrones de mayor energía experimentan una menor fuerza de fricción al aumentar su velocidad. En presencia del mismo campo eléctrico, estos electrones continuarán acelerándose, "alejándose".

Cuando los electrones fugitivos ganan energía gracias a un campo eléctrico, chocan ocasionalmente con los átomos del material, desprendiendo electrones secundarios. Si estos electrones secundarios también tienen la energía suficiente para escapar, se aceleran a niveles elevados, generan más electrones secundarios, y así sucesivamente. De este modo, el número total de electrones energéticos crece exponencialmente en una avalancha.

La función de fricción dinámica, mostrada en la figura, solo considera las pérdidas de energía debidas a colisiones inelásticas y tiene un mínimo de ~216 keV/cm a una energía electrónica de ~1,23 MeV. Sin embargo, para obtener umbrales más útiles, es necesario incluir también los efectos debidos a la pérdida de momento del electrón por colisiones elásticas. En ese caso, una estimación analítica ^{[ 5 ]} proporciona un umbral de fuga de ~282 keV/cm, que se produce a una energía electrónica de ~7 MeV. Este resultado concuerda aproximadamente con los valores obtenidos mediante simulaciones de Monte Carlo, de ~284 keV/cm ^{[ 6 ]} y 10 MeV ^{[ 7 ]} , respectivamente.

El mecanismo RREA descrito anteriormente solo describe el crecimiento de la avalancha. Se necesita un electrón energético inicial para comenzar el proceso. En el aire ambiente, estos electrones energéticos suelen provenir de los rayos cósmicos . ^{[ 8 ]} En campos eléctricos muy fuertes, más fuertes que la fuerza de fricción máxima que experimentan los electrones, incluso los electrones de baja energía ("fríos" o "térmicos") pueden acelerarse hasta alcanzar energías relativistas, un proceso denominado "fuga térmica". ^{[ 9 ]}

Las avalanchas RREA generalmente se mueven en dirección opuesta al campo eléctrico. Por lo tanto, una vez que las avalanchas abandonan la región del campo eléctrico, predominan las fuerzas de fricción, los electrones pierden energía y el proceso se detiene. Sin embargo, existe la posibilidad de que los fotones o positrones producidos por la avalancha regresen al punto de origen y generen nuevas semillas para una segunda generación de avalanchas. Si la región del campo eléctrico es lo suficientemente grande, el número de avalanchas de segunda generación superará al de las de primera generación, y el número de avalanchas en sí mismo crecerá exponencialmente. Esta avalancha de avalanchas puede producir poblaciones extremadamente grandes de electrones energéticos. Este proceso finalmente conduce a la disminución del campo eléctrico por debajo del nivel en el que es posible la retroalimentación y, por lo tanto, actúa como un límite a la intensidad del campo eléctrico a gran escala. ^{[ 6 ]}

La gran población de electrones energéticos producidos en RREA producirá una población igualmente grande de fotones energéticos por bremsstrahlung . Se propone que estos fotones sean la fuente de los destellos de rayos gamma terrestres . Los grandes eventos RREA en tormentas eléctricas también pueden contribuir con dosis de radiación raras pero elevadas a los vuelos comerciales. ^{[ 10 ]} El físico estadounidense Joseph Dwyer acuñó el término " rayo oscuro " para este fenómeno, ^{[ 11 ]} que aún es objeto de investigación. ^{[ 12 ]}