Рождение частиц-призраков в ядерных столкновениях экспресс
Когда быстрый протон врезается в ядро атома, на мгновение рождаются новые частицы. Одна из них — фи-мезон: короткоживущий сгусток материи, который распадается на пару электрон-позитрон. Поймать этот распад — всё равно что услышать эхо далёкого взрыва: сам взрыв уже закончился, но его след ещё летит.
В японской лаборатории J-PARC физики впервые измерили, как часто рождаются фи-мезоны при ударе протонов с энергией 30 ГэВ по мишеням из углерода и меди. Для этого использовали новый спектрометр E16 — прибор, который ловит электроны и позитроны от распада фи-мезона. Опыт шёл на только что запущенной линии пучка: это был её первый рабочий сеанс.
Измерив число рождённых фи-мезонов, учёные вычислили полное сечение реакции — меру того, насколько охотно сталкивающиеся частицы порождают данный процесс. Для углерода сечение составило 2,0 ± 0,9 (статистическая погрешность) ± 1,0 (систематическая) миллибарн, для меди — 10,3 ± 4,4 ± 4,4 миллибарн. Затем проверили, как сечение зависит от размера ядра. Оказалось, что оно растёт почти линейно с числом нуклонов: показатель степени α = 0,99 ± 0,38 ± 0,34. Это значит, что каждый протон или нейтрон в ядре как будто не замечает соседей — фи-мезон рождается на одном нуклоне, а не на ядре целиком.
Экстраполяция к ядру из одного протона даёт сечение, которое хорошо совпадает с прежними измерениями для протон-протонных столкновений при близких энергиях. Так новый прибор подтвердил: картина рождения фи-мезонов едина для всех ядер — от одиночного протона до тяжёлой меди.
Миллибарн — это единица площади: 1 миллибарн = 10⁻³¹ м². Для сравнения, сечение рождения фи-мезона на меди (10 миллибарн) в миллиарды раз больше площади самого ядра меди.