定向闪烁晶体中电磁簇射发展的强烈增强及其对粒子探测器的启示

当粒子穿过与其某一晶轴对齐的晶体时，会经历一个在宏观距离上沿运动方向恒定的强电磁场。对于能量高于几个GeV的$e^\pm$和$\gamma$射线，该场通过洛伦兹增强被放大，以至于超过施温格临界场$\mathcal{E}_0 \sim 1.32 \times 10^{16}~\mathrm{V/cm}$。在此区域，会发生非线性量子电动力学效应，例如强电磁辐射发射和正负电子对产生的增强，因此电磁簇射发展加速，有效簇射长度相比非晶材料缩短。我们研究了铅钨酸盐（PbWO$_4$）中的这种现象，这是一种广泛用于粒子探测的高Z闪烁体。我们观察到，相对于主晶格轴的小入射角下闪烁光显著增加。使用120-GeV电子和5至100 GeV之间的$\gamma$射线进行的测量表明，定向样品中的能量沉积增加了多达三倍。这些发现挑战了当前晶体闪烁体中簇射发展的模型，并可能指导下一代加速器和空间探测器的开发。