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

物質の核心部の奥深く、陽子と中性子が結合して原子核を形成する場所には、ハイペロンとして知られる粒子が関与する、隠された複雑な層が存在します。これらは馴染み深い陽子や中性子の親戚のようなものですが、「ストレンジネス（奇妙さ）」と呼ばれる性質を持っており、それゆえに重く、不安定です。ハイペロンが通常の陽子とどのように相互作用するかを理解することは、単に亜原子の世界に対する好奇心を満たすためのものではありません。それは、ある宇宙の謎を解明するために不可欠なのです。物質が極限まで密集し、わずかスプーン一杯の分量が数十億トンもの重さになる、中性子星の密度が高く押しつぶされるような核の部分において、物理学者はハイペロンが出現しなければならないと考えています。しかし、もしハイペロンがある特定の形で強すぎる相互作用を持つならば、それらは恒星を自らの重力によって崩壊させてしまい、天文学者が実際に観測しているような巨大なサイズに達することを妨げてしまうことになります。この矛盾を解決するために、科学者たちはハイペロンと陽子が互いに押し合ったり引き合ったりする様子を精密に測定する必要がありますが、ハイペロンは瞬時に崩壊し、相互作用している最端を捉えることが困難であるため、この作業は困難なまま残されてきました。

ジュネーブにある大型ハドロン衝突型加速器のALICE検出器を使用しているある研究者が、この相互作用を初めて測定することに成功し、大きな一歩を踏み出しました。彼らは特定のペア、すなわち陽子と、$\Sigma^+$ と呼ばれる正に帯電したハイペロンに焦点を当てました。これらを研究するために、彼らは13兆電子ボルトのエネルギーで陽子同士を衝突させ、新しい粒子のシャワーを作り出しました。数十億回の衝突の中で、彼らは高多重度イベント、つまり破片が非常に密集しており、陽子と $\Sigma^+$ ハイペロンが近くで誕生する確率が著しく高くなる事象を探しました。課題は、$\Sigma^+$ が直ちに陽子と中性パイ中間子へと崩壊し、その中性パイ中間子がさらに2つの光子へと消えてしまうことでした。$\Sigma^+$ は極めて短い時間しか生存しないため、直接追跡することはできませんでした。代わりに、彼らは巧妙な再構成手法を用い、目に見える陽子と一方の光子を追跡し、失われた2番目の光子の経路と運動量を数学的に推論することで、$\Sigma^+$ が正確にどこに存在していたかを特定しました。

これらのペアを数百万個特定した後、彼らは、それらが単にランダムな隣人として現れる頻度と比較して、どの程度の頻度で近くに現れるかを分析しました。もし粒子間に相互作用がなければ、それらの近接性は純粋に偶然によるものとなります。しかし、データは明確なパターンを明らかにしました。陽子と $\Sigma^+$ ハイペロンは、斥力（反発力）を示す特定のやり方で互いを避けていたのです。測定値を幅広い理論モデルと比較することで、彼らはいくつかの長年の予測を排除することができました。具体的には、相互作用は一部の古い理論が示唆したような強い斥力でもなければ、他のモデルが提案したような引力でもないことを発見しました。むしろ、データは非常に弱い斥力を指し示しています。この微かな押し合いは、競合する理論を区別するのに十分な強さであり、極限的な密度において物質がどのように振る舞うかという可能性の範囲を効果的に絞り込んでいます。

この発見の重要性は、密度が増すにつれて圧力がどのように変化するかを記述する、高密度物質の状態方程式を制約できる点にあります。結果は、陽子と $\Sigma^+$ ハイペロンの間の斥力が、宇宙で観測されているような大規模なスケールでの存在を許容しつつ、中性子星の崩壊を防ぐのにちょうど適したものであることを示唆しています。彼らは、この相互作用の強さと範囲を定義する数値である散乱パラメータを、高い信頼度で算出しました。彼らの分析は、相互作用がメソン交換に基づく特定のクラスのモデルと一致しており、一方で、強すぎる引力または強すぎる斥力を予測する他のモデルを排除していることを示しています。この測定は、宇宙で最も過酷な環境を支配する力の直接的な垣間見せを稀な形で提供し、理論的なパズルを測定可能な現実へと変えたのです。