Барн

Барн (русское обозначение: б, бн; международное: b) — внесистемная единица измерения площади, используется в ядерной физике для измерения эффективного сечения ядерных реакций, а также квадрупольного момента. 1 барн равен 10⁻²⁸ м² = 10⁻²⁴ см² = 100 фм² (примерный размер атомного ядра)^[1]. Определяются также кратные и дольные единицы; из них используются:

• мегабарн (Мбн, Мб, 10⁻¹⁸ см²),
• килобарн (кбн, кб, 10⁻²¹ см²),
• миллибарн (мбн, мб, 10⁻²⁷ см²),
• микробарн (мкбн, мкб, 10⁻³⁰ см²),
• нанобарн (нбн, нб, 10⁻³³ см²),
• пикобарн (пбн, пб, 10⁻³⁶ см²),
• фемтобарн (фбн, фб, 10⁻³⁹ см²),
• аттобарн (абн, аб, 10⁻⁴² см²),

Электрический квадрупольный момент имеет размерность произведения площади на электрический заряд, однако в атомной и ядерной физике заряд часто выражают в единицах элементарного заряда, поэтому квадрупольный момент приобретает размерность площади и в этом случае тоже может измеряться в барнах.

Международная организация законодательной метрологии (МОЗМ) относит барн к единицам измерения, «которые могут временно применяться до даты, установленной национальными предписаниями, но которые не должны вводиться, если они не используются», и разрешает использовать барн только в атомной и ядерной физике^[2].

Обратные барны (бн⁻¹), а также кратные и дольные единицы используются в качестве меры интегральной светимости коллайдеров (то есть количества частиц, прошедших за время работы машины через единицу площади поперечного сечения пучка в зоне соударения встречных пучков, что пропорционально количеству произошедших реакций)^[3]. Так, интегральная светимость в 10 фбн⁻¹ означает, что за время работы через каждый фемтобарн зоны соударения прошло в среднем 10 частиц. Если известно эффективное поперечное сечение какой-либо реакции, то для того, чтобы узнать количество произошедших реакций, надо умножить это сечение (в барнах) на интегральную светимость (в обратных барнах). Светимость коллайдеров выражается через обратные барны в секунду; например, максимальная светимость Большого адронного коллайдера, превысившая проектную, составляет 2⋅10³⁴ см⁻²с^−1[4], что соответствует 2⋅10⁻⁵ фбн⁻¹с⁻¹. За 10⁵ секунд работы (чуть больше суток) БАК в таком режиме будет набирать интегральную светимость 2 обратных фемтобарна (или 2000 обратных пикобарн — следует отметить, что, как и для любых обратных единиц, соотношения между десятичными приставками «переворачиваются»: обратный барн в 1000 раз меньше обратного миллибарна).

• Сечение радиационного захвата тепловых нейтронов ядром ¹¹³Cd составляет около 20,6 кбарн^[5].
• Сечение деления ядра ²³⁵U тепловым нейтроном (основа современной ядерной энергетики) составляет около 584 барн^[5].
• Чувствительность современных детекторов частиц тёмной материи для реакции упругого рассеяния на ядрах и массы вимпов 10-100 ГэВ составляет 10⁻⁶−10⁻⁴ пбарн.^[6]
• Сечение рассеяния нейтрино на нуклоне при энергии порядка 10 МэВ составляет ~ 1 аттобарн.
• Электрический квадрупольный момент ядра ¹⁴N составляет 20,0 мбарн^[7].

• Планируемая интегральная светимость Большого адронного коллайдера, накопленная к концу 2011 года — около 6 фбн⁻¹, к концу 2019 года — 300 фбн⁻¹.
• Ожидаемая интегральная светимость Тэватрона, накопленная к концу 2014 года — около 20 фбн⁻¹.
• Светимость коллайдера RHIC при работе с ядрами золота (2000 год) составляла 1,5 миллибарн⁻¹с⁻¹.

Название «барн» происходит от английского barn — амбар.^[8] Два физика из Университета Пердью (Уэст-Лафейетт, штат Индиана), Маршалл Хеллоуэй и Чарльз Бэйкер, работавшие в рамках Манхэттенского проекта, однажды во время обеда решили придумать название для единицы, отражающей типичный размер эффективного сечения в ядерной физике. Среди кандидатов, в чью она честь могла быть названа, были Оппенгеймер и Бете, а также Джон Мэнли, директор группы университета Пердью в Лос-Аламосе (Мэнли показалось физикам слишком длинным, и в качестве кандидатуры некоторое время использовалось имя «Джон»). Для большинства ядерных процессов эффективное сечение 10⁻²⁴ см² кажется большим, как амбар.