Modi rari di annichilazione del sistema protone-antiprotone e struttura elettromagnetica del nucleone

Sunto

Quando un antiprotone annichila con un protone per lo più si originano dei mesoni π (pioni) ok. In conseguenza del fatto, però, che il nucleone (e l’antinucleone) hanno una loro struttura elettromagnetica, sono possibili annichilazioni — peraltro oltremodo rare — in coppie di leptoni (e⁺ e⁻; μ⁺ μ⁻;...). Lo studio di questi processi rari permette di estendere ad una regione ancora inesplorata l’investigazione della struttura elettromagnetica del nucleone, iniziata con i classici esperimenti di Stanford sull’urto elastico elettrone-protone. Il confronto delle sezioni d’urto per annichilazione in coppie di elettroni e di mesoni μ, consente inoltre di effettuare in quella regione un nuovo tentativo per mettere in evidenza eventuali diversità nel comportamento del mesone μ rispetto a quello di un «elettrone pesante». L’apparente identità di comportamento del mesone μ e dell’elettrone (a parte la diversità delle masse e dei neutrini ad essi associati) costituisce ancora, come si sa, uno dei grandi misteri della fisica delle particelle.

Dopo un’ introduzione generale sull’argomento vengono illustrati e discussi i dispositivi sperimentali, e presentati i risultati preliminari con essi ottenuti nelle ricerche — tuttora in fase di sviluppo — al Protosincrotrone del CERN di Ginevra.

Summary

The proton-antiproton system annihilates usually with pion or k-meson emission. Because of the nucleon (and anti-nucleon) electromagnetic structure, however, annihilation modes into lepton pairs (pp → e ⁺ e⁻; μ⁺μ⁻) are also possible, even though extremely rare. The study of these rare annihilation modes (the first of which is the inverse of the colliding beam experimente ⁺ e⁻→ pp) makes it possible to extend to the «time-like» region the investigation of the nucleon electromagnetic structure, which has been accomplished so far only for «space-like» momentum transfers, by means of the classic electron nucleon scattering experiments. The comparison of the cross sections for annihilation into electron and muon pairs makes it possible, furthermore, to check whether also for the high time-like momentum transfers involved in these processes, does the muon behave as a «heavy electron». Such a behavior, as yet essentially unexplained, represents a challenge for the understanding of fundamental particle physics.

This seminar starts with a general introduction to the subject. Experiments to search for the above mentioned rare annihilation modes, carried out at the CERN 28GeV Protonsynchrotron before the end of 1964, are then described with some detail. Antiprotons of 2.5GeV/c momentum were used in these experiments, so that the invariant four-momentum transfer, q², had a time-like value of ∼ 6,8 (GéV/c)² (corresponding to 175 F⁻²). This means probing time intervals of about 2.5 · 10⁻²⁵ sec in the proton structure. Conclusions derived from subsequent experimentation have been added to the original text of the seminar. These conclusions can be stated giving the following upper limits for the differential cross-sections at 90° in the C.M.-system

$$(d\sigma /d\omega )90^0< \left\{ \begin{gathered} 9.5 \cdot 10^{ - 35} cm^2 /ster for p\bar p \to e^ + e^ - \hfill \\ 4.2 \cdot 10^{ - 35} cm^2 /ster for p\bar p \to \mu ^ + \mu ^ - \hfill \\ \end{gathered} \right.$$

with 90% confidence level. Since for 2.5GeV/c antiprotons annihilation with protons at rest occurs with a total cross section of a few 10⁻²⁶ cm², the above values correspond to branching ratios smaller than a few units in 10⁻⁸.