Фоторождение пионов

    В виду важности реакции фоторождения пионов для нейтринной астрофизики и вообще для астрофизики высоких энергий рассмотрим этот процесс поподробнее. Реакция p + γ→ n + π протекает через рождение адронного резонанса Δ⁺, открытого еще Ферми в начале 50-х годов прошлого века.

p + γ → Δ⁺ → n + π⁺

 Адронный резонанс (m_Δ = 1232 МэВ) – возбужденное состояние кварков с крайне малым временем жизни τ ~10^-23 сек. Сечение реакции, протекающих через резонанс, резко увеличивается, если энергия в системе центра инерции сталкивающихся частиц совпадает с точностью до ширины резонанса* с его массой. Без вывода приведем формулу, связывающую энергию протона и гамма-кванта с условием резонанса

    Важный пример. Если в качестве фотонов мишени рассматривать реликтовые фотоны
(E_γ ~ 10^-3 эВ), то резонансное рождение пионов возможно при энергиях протонов выше 10²⁰ эВ. При этих энергиях протон будет эффективно терять энергию на рождение пионов (σ_res ≈ 5·10^-28 см²) и должно наблюдаться резкое укручение (обрезание) спектра космических лучей. Это явление было предсказано в 1966 году К. Грейзеном, Г.Т. Зацепиным и В.А. Кузьминым и по первым буквам фамилии авторов получило название ГЗК-эффекта. 

* В силу соотношения неопределенности Гейзенберга неопределенность в массе нестабильной частицы порядка 1/τ (в естественной системе единиц) и для адронных резонансов составляет величину около 100 МэВ. Эту величину принято называть шириной резонанса.