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

Au plus profond du cœur de la matière, là où les protons et les neutrons se lient pour former les noyaux des atomes, existe une couche cachée de complexité impliquant des particules connues sous le nom d'hyperons. Ce sont des cousins des protons et neutrons familiers, mais ils portent une propriété appelée « étrangeté », qui les rend plus lourds et instables. Comprendre comment les hyperons interagissent avec les protons ordinaires n'est pas seulement une question de curiosité pour le monde subatomique ; c'est essentiel pour résoudre un mystère cosmique. Dans les cœurs denses et écrasants des étoiles à neutrons, où la matière est si compacte qu'une seule cuillère à café pèserait des milliards de tonnes, les physiciens pensent que les hyperons doivent apparaître. Cependant, s'ils interagissent trop fortement de certaines manières, ils provoqueraient l'effondrement de ces étoiles sous leur propre gravité, les empêchant d'atteindre les tailles massives que les astronomes observent réellement. Pour résoudre ce conflit, les scientifiques ont besoin de mesures précises de la façon dont les hyperons et les protons se poussent ou s'attirent, une tâche qui est restée difficile car les hyperons se désintègrent presque instantanément et sont difficiles à attraper en plein acte d'interaction.

Un chercheur utilisant le détecteur ALICE au Grand Collisionneur de Hadrons à Genève a enfin franchi une étape majeure en mesurant cette interaction pour la première fois. Il s'est concentré sur une paire spécifique : un proton et un hyperon chargé positivement appelé $\Sigma^+$. Pour les étudier, ils ont fait entrer en collision des protons à une énergie de 13 billions d'électronvolts, créant une gerbe de nouvelles particules. Parmi les milliards de collisions, ils ont recherché des événements à haute multiplicité, où les débris étaient si encombrés que les chances de trouver un proton et un hyperon $\Sigma^+$ nés à proximité les uns des autres étaient significativement plus élevées. Le défi était que le $\Sigma^+$ se désintègre immédiatement en un proton et un pion neutre, lequel disparaît ensuite en deux photons. Parce que le $\Sigma^+$ vit pendant un moment si fugace, ils ne pouvaient pas le suivre directement. Au lieu de cela, ils ont utilisé une méthode de reconstruction ingénieuse, traçant le proton visible et l'un des photons tout en déduisant mathématiquement la trajectoire et l'impulsion du second photon manquant pour localiser précisément l'endroit où le $\Sigma^+$ s'était trouvé.

Une fois qu'ils ont identifié des millions de ces paires, ils ont analysé la fréquence à laquelle elles apparaissaient proches les unes des autres par rapport à la fréquence à laquelle elles apparaîtraient si elles n'étaient que des voisines aléatoires. Si les particules n'interagissaient pas, leur proximité serait purement une question de hasard. Cependant, les données ont révélé un motif clair : les protons et les hyperons $\Sigma^+$ s'évitaient d'une manière spécifique qui indiquait une force répulsive. En comparant leurs mesures à un large éventail de modèles théoriques, ils ont pu écarter plusieurs prédictions de longue date. Spécifiquement, ils ont trouvé que l'interaction n'est pas fortement répulsive, comme le suggéraient certaines théories plus anciennes, ni attractive, comme le proposaient d'autres modèles. Au lieu de cela, les données indiquent une répulsion très faible. Cette poussée subtile est assez forte pour distinguer les théories concurrentes, réduisant efficacement le champ des possibilités sur la manière dont la matière se comporte à ces densités extrêmes.

La portée de cette découverte réside dans sa capacité à contraindre l'équation d'état de la matière dense, qui décrit comment la pression change à mesure que la densité augmente. Les résultats suggèrent que la force de répulsion entre les protons et les hyperons $\Sigma^+$ est juste assez forte pour empêcher l'effondrement des étoiles à neutrons tout en permettant leur existence aux échelles massives observées dans l'univers. Ils ont calculé les paramètres de diffusion, qui sont essentiellement les nombres définissant la force et la portée de cette interaction, avec un haut degré de confiance. Leur analyse montre que l'interaction est cohérente avec une classe spécifique de modèles basés sur l'échange de mésons, tout en excluant d'autres qui prédisent soit trop d'attraction, soit trop de répulsion. Cette mesure offre un aperçu direct et rare des forces qui régissent les environnements les plus extrêmes du cosmos, transformant un puzzle théorique en une réalité mesurée.