靶恩

✍ dations ◷ 2025-04-05 00:39:23 #面积单位,粒子物理学

靶恩(符号为b,也简称为靶)是一种面积单位,原先用于核物理中描述原子核及核反应的截面,今天则用于所有高能物理学领域中描述任何散射过程的截面,并通常能代表细小粒子发生相互作用的几率。一个靶恩的定义为10−28 m2(100 fm2),大约为一个铀原子核的截面面积。靶恩也在核四极共振和核磁共振中用作面积单位,量化核子与电场斜率之间的交互作用。虽然靶恩并不是国际单位制单位,但由于长期使用于粒子物理学而被承认。它是国际单位制所接受的少数单位之一,也是最近期被承认的(节和巴是其他可接受有限使用的非国际单位制单位)。

靶恩(barn)的来源有个有趣的故事。在战时对原子弹的研究中,位于普渡大学的美国物理学家在研究把中子撞击原子核时,需要一个表示原子核大致横截面积(10−28 m2)的单位。美国有句俚语叫做“准头差得打不中粮仓(英语:barn)”,而原子核对于加速器来说算是个挺大的目标,因此曼哈顿计划里的物理学家就采用了“barn”这个单位名。最初他们希望这源自美国俚语的名称能掩饰他们对核子结构的研究,但最后该单位成为了粒子物理学中的标准单位。

除了这些标准前缀之外,还有outhouse(意为“茅房”,1 μb = 10−34 m2)、shed(意为“棚子”,10−24 b (1 yb) = 10−52 m2)两个不常用的单位别名。

计算出的截面通常以22/GeV2表示(约0.3894 mb)。

使用国际单位制时,单位也可以写作平方飞米(fm²)。

“逆飞靶”(fb−1)是用来量度目标截面上每飞靶面积中的粒子撞击事件总数,并且是光度的时间积分的标准单位。

在粒子加速器中,两束粒子在一段时间内互相撞击,离子束的截面面积单位为飞靶。总共的撞击数与这段时间内撞击的光度呈正比。因此,要计算撞击数,能够取光度的时间积分,并乘以这些撞击事件的截面面积之和。此数单位为逆飞靶,并指定时间段(如:九个月内100 fb−1)。逆飞靶常常用来表示粒子撞击器的生产率。

费米实验室在21世纪第一个十年内制造了10 fb−1。费米实验室的兆电子伏特加速器用了4年,在2005年达到了1 fb−1产量;欧洲核子研究中心大型强子对撞机的两项实验,超环面仪器和紧凑缈子线圈,单单在2011年一年内达到了5 fb-1的质子-质子数据。

用一个简单的例子,如一条粒子束线在瞬时光度为300 × 1030 cm−2s−1 = 300 μb−1s−1下运行8个小时(28,800秒),那所采集的数据在这段时间内的总量就会是8,640,000 μb−1 = 8.64 pb−1 = 0.00864 fb−1。

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