Nacimiento de partículas gemelas en un blanco grueso exprés

Original: "Measurement of di-muons from 400 GeV/c protons interacting in a thick molybdenum/tungsten target"
· The SHiP Collaboration
arXiv:2604.03661 · 2026-04-04 · CC BY 4.0 · 1 min
Físicos midieron cómo se producen pares de muones en un grueso bloque de metal y descubrieron que son menos de lo esperado.

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Protones acelerados a enormes energías chocan contra una gruesa placa metálica, como balas contra una armadura. Dentro del metal, por un instante, nace una partícula J/ψ que inmediatamente se desintegra en dos muones, parientes ligeros del electrón. Estos muones salen del blanco y los detectores capturan sus huellas.

Los científicos compararon el número de muones capturados con las predicciones del modelo computacional. El modelo esperaba más muones con alto momento transverso, es decir, aquellos que vuelan en ángulo respecto al haz. En realidad, resultaron ser notablemente menos. Esto no es un error, sino una suerte: en el futuro experimento SHiP, esos muones estorbarían, ya que son más difíciles de desviar con un escudo magnético.

El momento transverso es la velocidad de la partícula hacia los lados, perpendicular a la dirección del haz. Cuanto mayor es, más difícil es "doblar" la partícula con un imán.

La sección eficaz medida de producción de J/ψ por nucleón fue de 1,18 nanobarnios con una incertidumbre de alrededor del 10%. Esto es cercano al resultado del experimento anterior NA50, pero ligeramente superior. La diferencia no excede los errores sistemáticos, por lo que los científicos concluyen que las colisiones secundarias dentro del blanco grueso no aumentan la producción de J/ψ en más del 32% (con un 90% de confianza).

Este resultado es una buena noticia para SHiP. Si las partículas secundarias produjeran muchas J/ψ adicionales, el fondo de muones sería mayor. Ahora está claro: el blanco grueso no estropea la imagen y se puede construir el montaje con confianza.

Resumen original

tal como lo escribieron los autores, en inglés arXiv:2604.03661

Di-muon events emanating from a replica of the SHiP target at the CERN SPS (with a 400 GeV/c proton beam) contain a clear signal of \jpsi production. The target consisted of 13 interaction lengths of molybdenum and tungsten, followed by a 2.4m iron hadron absorber. The di-muon rate is in reasonable agreement with \MC based on Pythia v8. However, the $$J/\psi$$ rate observed in the data is much lower than predicted by the Monte Carlo simulation, which is advantageous for SHiP since muons with a large $$p_T$$ are more difficult to deflect by the active muon shield. For the center of mass rapidity ($$y_{\rm cm}$$) interval with the largest overlap with the NA50 measurement, $$0.3 < y_{\rm cm} < 0.6$$, we obtain the production cross-section per nucleon $$\sigma(J/\psi)/A$$ including the branching ratios of $$J/\psi$$ decays into muons, $$B_{\mu^+\mu^-}$$: $$B_{\mu^+\mu^-}\sigma(J/\psi)/A=(1.18~\pm~0.04~\pm~0.10)~\mathrm{nb}$$/nucleon. This is to be compared to the NA50 extrapolated result (using a much thinner target): $$B_{\mu^+\mu^-}\sigma(J/\psi)/A=(0.99~\pm~0.04)~\mathrm{nb}$$/nucleon. Within the systematic errors, no significant enhancement due to secondary production of \jpsi inside the target is observed. An upper limit at 90\% confidence level of possible contributions from secondary collisions of $$<32\%$$ is obtained.

La partícula J/ψ fue descubierta simultáneamente por dos grupos en 1974 y se convirtió en la primera prueba de la existencia de los quarks encantados. Por este descubrimiento se otorgó el Premio Nobel.

En la novela "El problema de los tres cuerpos" de Liu Cixin, los extraterrestres utilizan protones como sondas; en realidad, los protones mismos sirven como proyectiles para producir nuevas partículas.

B_{\mu^+\mu^-}\sigma(J/\psi)/A = (1.18 \pm 0.04 \pm 0.10) \, \text{nb/nucleon}
Sección eficaz de producción de J/ψ por nucleón multiplicada por la probabilidad de desintegración en dos muones. La primera incertidumbre es estadística, la segunda sistemática.
Científicos
Emmy NoetherJames Clerk MaxwellWolfgang PauliEnrico FermiPaul DiracChien-Shiung Wu
Conceptos
detector CMS colaboración cms sección eficaz detector BESIII masa del protón colisión de protones partícula j psi momento magnético del muón