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

양성자와 중성자가 결합하여 원자핵을 형성하는 물질의 심장부 깊은 곳에는, 하이퍼론(hyperon)이라 불리는 입자들과 관련된 숨겨진 복잡성의 층위가 존재합니다. 이들은 친숙한 양성자나 중성자의 사촌 격이지만, '기묘함(strangeness)'이라는 성질을 지니고 있어 더 무겁고 불안정합니다. 하이퍼론이 일반적인 양성자와 어떻게 상호작용하는지를 이해하는 것은 단순히 아원자 세계에 대한 호기심을 넘어, 하나의 우주적 미스터리를 해결하는 데 필수적입니다. 물질이 너무나 빽빽하게 압축되어 단 한 티스푼의 무게가 수십억 톤에 달하는 중성자별의 밀도 높고 짓누르는 듯한 핵 내부에서, 물리학자들은 반드시 하이퍼론이 나타나야 한다고 믿습니다. 그러나 만약 이들이 특정한 방식으로 너무 강하게 상호작용한다면, 이들은 별이 스스로의 중력에 의해 붕괴하게 만들어 천문학자들이 실제로 관측하는 거대한 크기에 도달하는 것을 방해할 것입니다. 이 갈등을 해결하기 위해 과학자들은 하이퍼론과 양성자가 서로를 어떻게 밀거나 당기는지에 대한 정밀한 측정이 필요하지만, 하이퍼론은 거의 즉각적으로 붕괴하며 상호작용하는 순간을 포착하기 어렵기 때문에 이는 어려운 과제로 남아 있었습니다.

제네바의 대형 강입자 충돌기(LHC)에 있는 ALICE 검출기를 사용하는 한 연구자가 이 상호작용을 처음으로 측정함으로써 중대한 진전을 이루었습니다. 그들은 특정 쌍, 즉 양성자와 양전하를 띤 하이퍼론인 $\Sigma^+$에 집중했습니다. 이를 연구하기 위해 그들은 13조 전자볼트의 에너지로 양성자들을 충돌시켜 새로운 입자들의 샤워를 만들어냈습니다. 수십억 건의 충돌 중에서 그들은 파편들이 매우 혼잡하여 양성자와 $\Sigma^+$ 하이퍼론이 가까이서 태어날 확률이 현저히 높은 고다중도(high-multiplicity) 사건들을 찾아냈습니다. 문제는 $\Sigma^+$가 양성자와 중성 파이온($\pi^0$)으로 즉시 붕족하며, 이 중성 파이온은 다시 두 개의 광자로 사라진다는 점이었습니다. $\Sigma^+$는 너무나 찰나의 순간 동안만 존재하기 때문에 직접 추적할 수 없었습니다. 대신 그들은 영리한 재구성 방법을 사용했는데, 가시적인 양성자와 하나의 광자를 추적하면서 동시에 사라진 두 번째 광자의 경로와 운동량을 수학적으로 추론하여 $\Sigma^+$가 정확히 어디에 있었는지를 찾아냈습니다.

수백만 개의 이러한 쌍을 식별한 후, 그들은 이들이 단순히 무작위적인 이웃으로서 나타나는 빈도와 비교하여 얼마나 자주 근처에 나타나는지를 분석했습니다. 만약 입자들이 상호작용하지 않는다면, 이들의 근접성은 순전히 우연의 문제일 것입니다. 그러나 데이터는 명확한 패턴을 드러냈습니다. 양성자와 $\Sigma^+$ 하이퍼론은 척력(repulsive force)을 나타내는 특정한 방식으로 서로를 피하고 있었습니다. 그들은 자신들의 측정값을 광범위한 이론적 모델들과 비교함으로써 여러 오래된 예측들을 배제할 수 있었습니다. 구체적으로, 그들은 이 상호작용이 일부 오래된 이론들이 시사했던 것처럼 강한 척력을 갖는 것도 아니고, 다른 모델들이 제안했던 것처럼 인력(attractive force)을 갖는 것도 아니라는 것을 발견했습니다. 대신, 데이터는 매우 약한 척력을 가리키고 있습니다. 이 미세한 밀어냄은 경쟁하는 이론들을 구별해낼 만큼 충분히 강력하며, 물질이 이토록 극단적인 밀도에서 어떻게 행동하는지에 대한 가능성의 범위를 효과적으로 좁혀줍니다.

이 발견의 의의는 밀도가 증가함에 따라 압력이 어떻게 변하는지를 설명하는 밀집 물질의 상태 방정식(equation of state)을 제약할 수 있다는 점에 있습니다. 결과는 양성자와 $\Sigma^+$ 하이퍼론 사이의 척력이 우주에서 관측되는 거대한 규모의 중성자별이 존재할 수 있게 하면서도, 동시에 이들의 붕괴를 막을 수 있을 만큼 적절하다는 것을 시사합니다. 그들은 상호작용의 세기와 범위를 정의하는 수치인 산란 매개변수(scattering parameters)를 높은 신뢰도로 계산했습니다. 그들의 분석은 이 상호작용이 메존 교환(meson exchange)에 기반한 특정 부류의 모델들과 일치하는 반면, 너무 많은 인력이나 너무 많은 척력을 예측하는 모델들은 제외한다는 것을 보여줍니다. 이 측정은 우주의 가장 극단적인 환경을 지배하는 힘에 대한 드문 직접적인 통찰을 제공하며, 이론적인 수수께끼를 측정된 현실로 바꾸어 놓았습니다.