El nacimiento de partículas fantasma en colisiones nucleares exprés
Cuando un protón rápido choca contra el núcleo de un átomo, por un instante nacen partículas nuevas. Una de ellas es el mesón fi: un cúmulo de materia de vida corta que se desintegra en un par electrón-positrón. Captar esa desintegración es como oír el eco de una explosión lejana: la explosión ya terminó, pero su rastro aún vuela.
En el laboratorio japonés J-PARC, los físicos han medido por primera vez con qué frecuencia nacen mesones fi al golpear protones de 30 GeV contra blancos de carbono y cobre. Para ello usaron el nuevo espectrómetro E16, un aparato que capta los electrones y positrones de la desintegración del mesón fi. El experimento se realizó en la línea de haz recién inaugurada: fue su primera sesión de trabajo.
Midiendo el número de mesones fi producidos, los científicos calcularon la sección eficaz total de la reacción, una medida de cuán fácilmente las partículas que chocan dan lugar a ese proceso. Para el carbono, la sección eficaz fue de 2,0 ± 0,9 (error estadístico) ± 1,0 (sistemático) milibarnios; para el cobre, de 10,3 ± 4,4 ± 4,4 milibarnios. Luego comprobaron cómo depende la sección eficaz del tamaño del núcleo. Resultó que crece casi linealmente con el número de nucleones: el exponente α = 0,99 ± 0,38 ± 0,34. Esto significa que cada protón o neutrón del núcleo parece no notar a sus vecinos: el mesón fi nace en un solo nucleón, no en el núcleo entero.
La extrapolación a un núcleo de un solo protón da una sección eficaz que coincide bien con las mediciones previas de colisiones protón-protón a energías similares. Así, el nuevo aparato confirmó que la imagen del nacimiento de mesones fi es la misma para todos los núcleos, desde un protón solitario hasta el cobre pesado.
El milibarnio es una unidad de área: 1 milibarnio = 10⁻³¹ m². Para comparar, la sección eficaz de producción de mesones fi en cobre (10 milibarnios) es miles de millones de veces mayor que el área del propio núcleo de cobre.