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

En lo más profundo del corazón de la materia, donde los protones y neutrones se unen para formar los núcleos de los átomos, existe una capa oculta de complejidad que involucra a partículas conocidas como hiperones. Estos son primos de los familiares protones y neutrones, pero poseen una propiedad llamada "extrañeza", lo que los hace más pesados e inestables. Comprender cómo interactúan los hiperones con los protones ordinarios no es solo una cuestión de curiosidad por el mundo subatómico; es esencial para resolver un misterio cósmico. En los núcleos densos y aplastantes de las estrellas de neutrones, donde la materia está tan compactada que una sola cucharadita pesaría miles de millones de toneladas, los físicos creen que los hiperones deben aparecer. Sin embargo, si interactúan con demasiada fuerza de ciertas maneras, causarían que estas estrellas colapsaran bajo su propia gravedad, impidiendo que alcancen las masas masivas que los astrónomos observan realmente. Para resolver este conflicto, los científicos necesitan mediciones precisas de cómo los hiperones y los protones se empujan o se atraen entre sí, una tarea que ha resultado difícil porque los hiperones decaen casi instantáneamente y son difíciles de captar en el acto de interactuar.

Un investigador que utiliza el detector ALICE en el Gran Colisionador de Hadrones en Ginebra finalmente ha dado un gran paso adelante al medir esta interacción por primera vez. Se centraron en un par específico: un protón y un hiperón con carga positiva llamado $\Sigma^+$. Para estudiarlos, colisionaron protones a una energía de 13 billones de electronvoltios, creando una lluvia de nuevas partículas. Entre los miles de millones de colisiones, buscaron eventos de alta multiplicidad, donde los escombros estaban tan congestionados que las probabilidades de encontrar un protón y un hiperón $\Sigma^+$ nacidos cerca unos de otros eran significativamente mayores. El desafío era que el $\Sigma^+$ decae inmediatamente en un protón y un pion neutro, que luego desaparece en dos fotones. Debido a que el $\Sigma^+$ vive por un momento tan fugaz, no pudieron rastrearlo directamente. En su lugar, utilizaron un ingenioso método de reconstrucción, rastreando el protón visible y uno de los fotones mientras deducían matemáticamente la trayectoria y el momento del segundo fotón faltante para localizar exactamente dónde había estado el $\Sigma^+$.

Una vez que identificaron millones de estos pares, analizaron con qué frecuencia aparecían cerca unos de otros en comparación con la frecuencia con la que aparecerían si fueran simplemente vecinos aleatorios. Si las partículas no interactuaran, su proximidad sería puramente una cuestión de azar. Sin embargo, los datos revelaron un patrón claro: los protones y los hiperones $\Sigma^+$ se evitaban entre sí de una manera específica que indicaba una fuerza repulsiva. Al comparar sus mediciones con una amplia gama de modelos teóricos, pudieron descartar varias predicciones de larga data. Específicamente, encontraron que la interacción no es fuertemente repulsiva, como sugerían algunas teorías antiguas, ni atractiva, como proponían otros modelos. En cambio, los datos apuntan a una repulsión muy débil. Este sutil empuje es lo suficientemente fuerte como para distinguir entre teorías competidoras, estrechando efectivamente el campo de posibilidades sobre cómo se comporta la materia en estas densidades extremas.

La importancia de este hallazgo radica en su capacidad para restringir la ecuación de estado de la materia densa, la cual describe cómo cambia la presión a medida que aumenta la densidad. Los resultados sugieren que la fuerza repulsiva entre los protones y los hiperones $\Sigma^+$ es la justa para evitar el colapso de las estrellas de neutrones y, al mismo tiempo, permitir que existan en las escalas masivas observadas en el universo. Calcularon los parámetros de dispersión, que son esencialmente los números que definen la fuerza y el alcance de esta interacción, con un alto grado de confianza. Su análisis muestra que la interacción es consistente con una clase específica de modelos basados en el intercambio de mesones, excluyendo otros que predicen demasiada atracción o demasiada repulsión. Esta medición proporciona un vistazo directo y poco común a las fuerzas que gobiernan los entornos más extremos del cosmos, convirtiendo un rompecabezas teórico en una realidad medida.