Lorsqu'un proton rapide percute un noyau atomique, de nouvelles particules naissent pendant un instant. L'une d'elles est le méson phi : un amas de matière éphémère qui se désintègre en une paire électron-positron. Capturer cette désintégration, c'est un peu comme entendre l'écho d'une explosion lointaine : l'explosion elle-même est déjà terminée, mais sa trace continue de voyager.

Dans le laboratoire japonais J-PARC, des physiciens ont mesuré pour la première fois la fréquence de production des mésons phi lors de l'impact de protons de 30 GeV sur des cibles de carbone et de cuivre. Pour cela, ils ont utilisé le nouveau spectromètre E16 — un appareil qui détecte les électrons et les positrons issus de la désintégration du méson phi. L'expérience s'est déroulée sur une ligne de faisceau tout juste mise en service : c'était sa première session de fonctionnement.

En mesurant le nombre de mésons phi produits, les scientifiques ont calculé la section efficace totale de la réaction — une mesure de la propension des particules en collision à engendrer ce processus. Pour le carbone, la section efficace est de 2,0 ± 0,9 (erreur statistique) ± 1,0 (erreur systématique) millibarns ; pour le cuivre, de 10,3 ± 4,4 ± 4,4 millibarns. Ils ont ensuite vérifié comment la section efficace dépend de la taille du noyau. Il s'avère qu'elle augmente presque linéairement avec le nombre de nucléons : l'exposant α = 0,99 ± 0,38 ± 0,34. Cela signifie que chaque proton ou neutron du noyau semble ignorer ses voisins — le méson phi naît sur un seul nucléon, et non sur le noyau entier.

L'extrapolation à un noyau constitué d'un seul proton donne une section efficace qui coïncide bien avec les mesures antérieures pour les collisions proton-proton à des énergies voisines. Ainsi, le nouvel instrument a confirmé que le tableau de la production de mésons phi est le même pour tous les noyaux — du proton isolé au cuivre lourd.