Рождение частиц-близнецов в толстой мишени экспресс

Оригинал: "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 мин
Физики измерили, как рождаются пары мюонов в толстом куске металла, и обнаружили, что их меньше, чем ожидалось.

📄 Показана версия «Просто» — «Подробно» пока не готова. Добавьте ★ в избранное, если хотите её ускорить.

Протоны, разогнанные до огромной энергии, врезаются в толстую металлическую плиту — как пули в броню. Внутри металла на мгновение рождается частица J/ψ, которая тут же распадается на два мюона — лёгких родственника электрона. Эти мюоны вылетают из мишени, и детекторы ловят их следы.

Учёные сравнили число пойманных мюонов с предсказаниями компьютерной модели. Модель ждала больше мюонов с большим поперечным импульсом — то есть тех, что летят под углом к пучку. А в реальности их оказалось заметно меньше. Это не ошибка, а удача: в будущем эксперименте SHiP такие мюоны мешали бы, их труднее отклонить магнитным щитом.

Поперечный импульс — это скорость частицы вбок, поперёк направления пучка. Чем он больше, тем сложнее частицу «согнуть» магнитом.

Измеренное сечение рождения J/ψ на один нуклон составило 1,18 нанобарна с погрешностью около 10%. Это близко к результату более раннего эксперимента NA50, но чуть выше. Разница не выходит за пределы систематических ошибок, поэтому учёные делают вывод: вторичные столкновения внутри толстой мишени не усиливают рождение J/ψ больше чем на 32% (с уверенностью 90%).

Такой результат — хорошая новость для SHiP. Если бы вторичные частицы рождали много дополнительных J/ψ, фон из мюонов был бы выше. А теперь ясно: толстая мишень не портит картину, и можно смело строить установку.

Оригинальная аннотация

как её написали авторы, на английском 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.

Частица J/ψ была открыта одновременно двумя группами в 1974 году и стала первым доказательством существования очарованных кварков. За это открытие дали Нобелевскую премию.

В романе «Задача трёх тел» Лю Цысиня инопланетяне используют протоны как зонды — в реальности же протоны сами служат снарядами для рождения новых частиц.

B_{\mu^+\mu^-}\sigma(J/\psi)/A = (1.18 \pm 0.04 \pm 0.10) \, \text{nb/nucleon}
Сечение рождения J/ψ на нуклон, умноженное на вероятность распада в два мюона. Первая погрешность статистическая, вторая систематическая.
Учёные
Emmy NoetherJames Clerk MaxwellSatyendra Nath BoseAlbert EinsteinWolfgang PauliEnrico Fermi
Понятия
детектор CMS коллаборация CMS сечение детектор BESIII масса протона столкновение протонов J/ψ-мезон магнитный момент мюона фермилаб