Введение

Единица площади поперечного сечения, используемая в физике высоких энергий. Барн (символ: b) – метрическая единица площади, равная 10⁻²⁸ м² (или 100 фм²). Изначально использовался в ядерной физике для выражения площади поперечного сечения ядер и ядерных реакций, но сегодня применяется во всех областях физики высоких энергий для выражения поперечных сечений любого процесса рассеяния и лучше всего понимается как мера вероятности взаимодействия между частицами. Барн приблизительно равен площади поперечного сечения ядра урана. Барн также используется как единица площади в ядерном квадрупольном резонансе и ядерном магнитном резонансе для количественной оценки взаимодействия ядра с градиентом электрического поля. Хотя барн никогда не был единицей СИ, организация по стандартизации СИ признала его в 8-й брошюре СИ (замененной в 2019 году) в связи с его использованием в физике частиц.

Этимология

Во время исследований Манхэттенского проекта по созданию атомной бомбы во время Второй мировой войны американские физики Маршалл Холлоуэй и Чарльз П. Бейкер работали в Университете Пердью над проектом, использующим ускоритель частиц для измерения сечений определенных ядерных реакций. Согласно их рассказу, написанному спустя пару лет, в декабре 1942 года они обедали в кафетерии и обсуждали свою работу. Они "сожалели", что у единицы сечения нет названия, и предложили себе разработать его. Сначала они пытались найти имя "какого-то выдающегося ученого, тесно связанного с этой областью", в честь которого можно было бы назвать единицу, но не могли найти подходящего кандидата. "Оппенгеймер" казался им слишком длинным (позже они подумали, что "Оппи" могло бы быть приемлемо), а "Бете" – слишком легко путалось с широко используемой греческой буквой бета. Затем они рассматривали возможность назвать её в честь Джона Мэнли, другого ученого, участвовавшего в их работе, но "Мэнли" казалось слишком длинным, а "Джон" – слишком ассоциировалось с туалетами. Однако эта последняя ассоциация, в сочетании с "происхождением из сельской местности" одного из ученых, натолкнула их на термин "barn" ("сарай"), который также подходил, потому что единица измерения была "действительно огромной, как сарай". По словам авторов, первое опубликованное упоминание этого термина появилось в (секретном) отчете Лос-Аламоса от конца июня 1943 года, соавторами которого были оба создателя термина.

Переводы

Расчетные сечения часто приводятся в единицах обратного квадрата гигаэлектронвольт (GeV−2) с использованием соотношения ħ2c2/GeV2 = 0,3894 = 38940. В естественных единицах (где ħ = c = 1) это упрощается до GeV−2 = 0,3894 = 38940.

barn GeV−2 1 mb 2,56819 1 pb 2,56819 0,389379 mb 1 0,389379 pb 1

Единицы СИ с приставкой

В СИ можно использовать такие единицы, как квадратные фемтометры (fm2). Наиболее распространенной единицей СИ для барна является фемтобарн, который равен десятой части квадратного зептометра. Многие научные статьи, обсуждающие физику высоких энергий, упоминают количества порядка долей фемтобарна. +Преобразование из единиц СИ: 1 пм2 = 10 кб, 1 фм2 = 10 мб, 1 ам2 = 10 нб, 1 зм2 = 10 фб, 1 ym2 = 10 зб, 1 рм2 = 10 рб. +Преобразование в единицы СИ: 1 барн = 100 фм2, 1 сбарн = 1 фм2, 1 мб = 0,1 фм2 = 100000 ам2, 1 мкб = 100 ам2 (Outhouse), 1 нб = 0,1 ам2 = 100000 зм2, 1 пб = 100 зм2, 1 фб = 0,1 зм2 = 100000 ym2, 1 аб = 100 ym2, 1 зб = 0,1 ym2 = 100000 рм2, 1 иб = 100 рм2 (Shed).

Инверсный фемтобарн

Обратный фемтобарн (fb−1) — это единица, обычно используемая для измерения количества событий столкновений частиц на фемтобарн эффективного сечения, и является стандартной единицей для интегральной светимости. Таким образом, если детектор накопил 100 единиц интегральной светимости, можно ожидать обнаружить 100 событий на фемтобарн сечения в этих данных. Рассмотрим ускоритель частиц, в котором два пучка частиц с эффективными сечениями, измеряемыми в фемтобарнах, направляются на столкновение в течение определенного времени. Общее число столкновений будет прямо пропорционально светимости столкновений, измеренной за это время. Следовательно, число столкновений можно вычислить, умножив интегральную светимость на сумму сечений для этих процессов столкновения. Это число затем выражается в обратных фемтобарнах за период времени (например, 100 fb−1 за девять месяцев). Обратные фемтобарны часто приводятся как показатель производительности коллайдера частиц. Фермилаб произвел 10 в первом десятилетии 21-го века. Теватрон в Фермилабе потребовал около 4 лет, чтобы достичь 1 в 2005 году, в то время как два эксперимента LHC в ЦЕРНе, ATLAS и CMS, достигли более 5 единиц данных по столкновениям протонов в 2011 году. В апреле 2012 года БАК достиг энергии столкновения 8 с пиком светимости 6760 обратных микробарнов в секунду; к маю 2012 года БАК предоставлял 1 обратный фемтобарн данных в неделю каждой коллаборации детекторов. Рекорд более 23 fb−1 был достигнут в 2012 году. По состоянию на ноябрь 2016 года, LHC достиг 40 за этот год, значительно превысив заявленную цель в 25. В общей сложности во время второго запуска БАК предоставил около 150 единиц данных как для ATLAS, так и для CMS в 2015–2018 годах.

Пример использования

В качестве упрощенного примера, если луч работает в течение 8 часов (28 800 секунд) при мгновенной светимости 300 300, то за это время будет накоплена интегрированная светимость, равная 8 640 000 = 8,64 = 0,00864. Умножение этого значения на сечение взаимодействия дает безразмерную величину, равную ожидаемому числу событий рассеяния.