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

Nel profondo cuore della materia, dove protoni e neutroni si legano per formare i nuclei degli atomi, esiste uno strato nascosto di complessità che coinvolge particelle note come iperoni. Questi sono cugini dei familiari protoni e neutroni, ma possiedono una proprietà chiamata "stranezza", che li rende più pesanti e instabili. Comprendere come gli iperoni interagiscono con i protoni ordinari non è solo una questione di curiosità verso il mondo subatomico; è essenziale per risolvere un mistero cosmico. Nelle densi e schiaccianti regioni centrali delle stelle di neutroni, dove la materia è così compattata che un singolo cucchiaino peserebbe miliardi di tonnellate, i fisici credono che debbano comparire gli iperoni. Tuttavia, se essi interagissero troppo fortemente in certi modi, causerebbero il collasso di queste stelle sotto la propria gravità, impedendo loro di raggiungere le dimensioni massicce che gli astronomi osservano effettivamente. Per risolvere questo conflitto, gli scienziati hanno bisogno di misurazioni precise di come gli iperoni e i protoni si spingano o si attirino a vicenda, un compito che è rimasto difficile perché gli iperoni decadono quasi istantaneamente e sono difficili da catturare nel momento dell'interazione.

Un ricercatore, utilizzando il rivelatore ALICE al Large Hadron Collider di Ginevra, ha finalmente compiuto un grande passo avanti misurando questa interazione per la prima volta. Si è concentrato su una coppia specifica: un protone e un iperone con carica positiva chiamato $\Sigma^+$. Per studiarli, ha fatto scontrare protoni tra loro a un'energia di 13 trilioni di elettronvolt, creando una pioggia di nuove particelle. Tra i miliardi di collisioni, ha cercato eventi ad alta molteplicità, in cui i detriti erano così affollati che le probabilità di trovare un protone e un iperone $\Sigma^+$ nati vicini erano significativamente più alte. La sfida era che il $\Sigma^+$ decade immediatamente in un protone e un pione neutro, che poi svanisce in due fotoni. Poiché il $\Sigma^+$ vive per un momento così fugace, non potevano tracciarlo direttamente. Invece, hanno utilizzato un metodo di ricostruzione ingegnoso, tracciando il protone visibile e uno dei fotoni mentre deducevano matematicamente la traiettoria e il momento del secondo fotone mancante per individuare esattamente dove si fosse trovato il $\Sigma^+$.

Una volta identificati milioni di queste coppie, hanno analizzato quanto spesso apparissero vicine rispetto a quanto spesso apparirebbero se fossero solo vicini casuali. Se le particelle non interagissero, la loro vicinanza sarebbe puramente una questione di caso. Tuttavia, i dati hanno rivelato un modello chiaro: i protoni e gli iperoni $\Sigma^+$ si evitavano in un modo specifico che indicava una forza repulsiva. Confrontando le loro misurazioni con una vasta gamma di modelli teorici, sono stati in grado di escludere diverse previsioni di lunga data. Nello specifico, hanno scoperto che l'interazione non è fortemente repulsiva, come suggerivano alcune vecchie teorie, né attrattiva, come proponevano altri modelli. Invece, i dati indicano una repulsione molto debole. Questa sottile spinta è sufficiente a distinguere tra teorie concorrenti, restringendo efficacemente il campo delle possibilità su come la materia si comporta a queste densità estreme.

La portata di questa scoperta risiede nella sua capacità di vincolare l'equazione di stato della materia densa, che descrive come la pressione cambi al crescere della densità. I risultati suggeriscono che la forza repulsiva tra protoni e iperoni $\Sigma^+$ sia proprio quella necessaria per prevenire il collasso delle stelle di neutroni, consentendo al contempo loro di esistere alle scale massicce osservate nell'universo. Hanno calcolato i parametri di scattering, che sono essenzialmente i numeri che definiscono la forza e l'estensione di questa interazione, con un alto grado di fiducia. La loro analisi mostra che l'interazione è coerente con una specifica classe di modelli basati sullo scambio di mesoni, escludendo altri che prevedono troppa attrazione o troppa repulsione. Questa misurazione offre uno sguardo raro e diretto sulle forze che governano gli ambienti più estremi del cosmo, trasformando un enigma teorico in una realtà misurata.