Une unité de luminosité intégrée, représentant le nombre de collisions de particules par femtobarn de section efficace.Le femtobarn inverse (fb⁻¹) est l'unité standard de luminosité intégrée en physique des particules, en particulier dans les collisionneurs comme le Grand collisionneur de hadrons (LHC). Il quantifie le nombre total de collisions de particules qui se sont produites sur une période donnée, normalisé par la section efficace des processus étudiés. Un femtobarn inverse correspond à un événement de collision par femtobarn de section efficace, où un femtobarn vaut 10⁻⁴³ mètres carrés — une aire approximativement de la taille d'un noyau atomique unique. Cette unité permet aux physiciens de comparer la puissance statistique de différents ensembles de données et de calculer les taux d'événements attendus pour des processus rares.
Le terme « barn » a été inventé pendant la Seconde Guerre mondiale par des physiciens de l'Université Purdue, qui plaisantaient en disant qu'une section efficace de 10⁻²⁸ m² était « aussi grande qu'une grange » par rapport aux tailles nucléaires typiques. Le femtobarn (10⁻¹⁵ barns) et son inverse sont devenus standard avec l'avènement des collisionneurs à haute luminosité dans les années 1980-1990, bien que l'origine exacte du femtobarn inverse comme unité ne soit pas précisément documentée.
La luminosité mesure combien de particules se croisent par unité de surface et par seconde, et son intégration dans le temps donne le nombre total de collisions. Lorsqu'on la multiplie par la section efficace d'un processus spécifique (par exemple, la production du boson de Higgs), le résultat est le nombre attendu de tels événements. Par exemple, si un processus a une section efficace de 10 picobarns et que l'ensemble de données est de 100 fb⁻¹, on s'attend à 1 000 000 d'événements. L'unité est pratique car les sections efficaces en physique des particules couvrent plusieurs ordres de grandeur, et l'utilisation de femtobarns inverses maintient les nombres à une échelle maniable.
Utilisée pour rapporter la taille des ensembles de données au LHC et dans d'autres collisionneurs ; par exemple, la découverte du boson de Higgs en 2012 reposait sur environ 5 fb⁻¹ de données à 7-8 TeV, tandis que l'ensemble complet des données de la période 2 (Run 2) a atteint 140 fb⁻¹.
La luminosité intégrée totale du Run 2 du LHC (2015-2018) était d'environ 140 fb⁻¹, ce qui signifie que si l'on agrandissait la zone de collision à la taille d'une grange, on l'aurait remplie 140 fois — pourtant, le boson de Higgs n'a été produit qu'environ 3 millions de fois dans cet ensemble de données complet.
