Measurement of the p$-\Sigma^+$ correlation function in pp collisions at $\sqrt{\textit{s}}=13$ TeV

في أعماق قلب المادة، حيث ترتبط البروتونات والنيوترونات معاً لتشكل نويات الذرات، توجد طبقة خفية من التعقيد تشمل جسيمات تُعرف باسم "الهيبرونات". هذه الهيبرونات هي أقارب للبروتونات والنيوترونات المألوفة، لكنها تحمل خاصية تسمى "الغرابة" (strangeness)، مما يجعلها أثقل وزناً وغير مستقرة. إن فهم كيفية تفاعل الهيبرونات مع البروتونات العادية ليس مجرد مسألة فضول حول عالم الجسيمات دون الذرية؛ بل هو أمر ضروري لحل لغز كوني. ففي القلوب الكثيفة والساحقة للنجوم النيوترونية، حيث تُضغط المادة بشدة لدرجة أن ملعقة صغيرة واحدة منها ستزن مليارات الأطنان، يعتقد الفيزيائيون أنه لا بد من ظهور الهيبرونات. ومع ذلك، إذا تفاعلت هذه الهيبرونات بقوة كبيرة في حالات معينة، فإنها ستؤدي إلى انهيار هذه النجوم تحت تأثير جاذبيتها الخاصة، مما يمنعها من الوصول إلى الأحجام الضخمة التي يرصدها علماء الفلك بالفعل. ولحل هذا التعارض، يحتاج العلماء إلى قياسات دقيقة لكيفية دفع أو جذب الهيبرونات والبروتونات لبعضها البعض، وهي مهمة ظلت صعبة لأن الهيبرونات تتحلل فورياً ويصعب الإمساك بها أثناء عملية التفاعل.

لقد قطع باحث يستخدم كاشف "ALICE" في مصادم الهادرونات الكبير في جنيف خطوة كبيرة للأمام عبر قياس هذا التفاعل لأول مرة. فقد ركزوا على زوج محدد: بروتون وهيبرون موجب الشحنة يُسمى $\Sigma^+$. ولدراسة هذا الزوج، قاموا بصدم البروتونات معاً عند طاقة تبلغ 13 تريليون إلكترون فولت، مما أدى إلى خلق وابل من الجسيمات الجديدة. ومن بين مليارات الاصطدامات، بحثوا عن أحداث "متعددة الجسيمات" (high-multiplicity events)، حيث كان الحطام مزدحماً للغاية لدرجة أن فرص العثور على بروتون وهيبرون $\Sigma^+$ وُلدا بالقرب من بعضهما البعض كانت أعلى بكثير. وكان التحدي يكمن في أن $\Sigma^+$ يتحلل فوراً إلى بروتون وبيون متعادل، والذي يتلاشى بدوره إلى فوتونين. ولأن $\Sigma^+$ يعيش للحظة عابرة جداً، لم يتمكنوا من تتبعه مباشرة. وبدلاً من ذلك، استخدموا طريقة إعادة بناء ذكية، حيث تتبعوا البروتون المرئي وأحد الفوتونات مع الاستنتاج الرياضي لمسار وزخم الفوتون الثاني المفقود لتحديد مكان وجود $\Sigma^+$ بدقة.

بمجرد تحديد ملايين من هذه الأزواج، قاموا بتحليل مدى تكرار ظهورهم بالقرب من بعضهم البعض مقارنة بمدى تكرار ظهورهم لو كانوا مجرد جيران عشوائيين. فإذا لم تتفاعل الجسيمات، فإن تقاربهم سيكون مجرد مسألة صدفة بحتة. ومع ذلك، كشفت البيانات عن نمط واضح: البروتونات وهيبرونات $\Sigma^+$ كانت تتجنب بعضها البعض بطريقة تشير إلى وجود قوة تنافر. ومن خلال مقارنة قياساتهم مع مجموعة واسعة من النماذج النظرية، تمكنوا من استبعاد العديد من التنبؤات القائمة منذ فترة طويلة. وتحديداً، وجدوا أن التفاعل ليس تنافرياً بقوة، كما اقترحت بعض النظريات القديمة، ولا هو جاذب، كما اقترحت نماذج أخرى؛ بل تشير البيانات إلى تنافر ضعيف جداً. هذا الدفع الطفيف قوي بما يكفي للتمييز بين النظريات المتنافسة، مما يضيق فعلياً مجال الاحتمالات لكيفية سلوك المادة عند هذه الكثافات القصوى.

تكمن أهمية هذا الاكتشاف في قدرته على تحديد "معادلة الحالة" للمادة الكثيفة، والتي تصف كيف يتغير الضغط مع زيادة الكثافة. وتشير النتائج إلى أن قوة التنافر بين البروتونات وهيبرونات $\Sigma^+$ هي بالضبط ما يمنع انهيار النجوم النيوترونية مع السماح لها في الوقت نفسه بالوجود في المقاييس الضخمة المرصودة في الكون. لقد قاموا بحساب معاملات التشتت، وهي في الأساس الأرقام التي تحدد قوة ومدى هذا التفاعل، بدرجة عالية من الثقة. ويظهر تحليلهم أن التفاعل يتوافق مع فئة محددة من النماذج القائمة على "تبادل الميزونات" (meson exchange)، بينما يستبعد نماذج أخرى تتنبأ إما بجذب كبير جداً أو تنافر كبير جداً. يوفر هذا القياس لمحة مباشرة ونادرة عن القوى التي تحكم أكثر البيئات تطرفاً في الكون، محولاً لغزاً نظرياً إلى واقع ملموس.