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

Diep in het hart van de materie, waar protonen en neutronen aan elkaar binden om de kernen van atomen te vormen, bestaat een verborgen laag van complexiteit die betrokken is bij deeltjes die bekend staan als hyperonen. Dit zijn neven van de vertrouwde protonen en neutronen, maar ze dragen een eigenschap genaamd "vreemdheid" (strangeness), wat hen zwaarder en instabiel maakt. Het begrijpen van hoe hyperonen interageren met gewone protonen is niet alleen een kwestie van nieuwsgierigheid naar de subatomaire wereld; het is essentieel voor het oplossen van een kosmisch mysterie. In de dichte, verpletterende kernen van neutronensterren, waar materie zo compact is gepakt dat een enkele theelepel miljarden tonnen zou wegen, geloven natuurkundigen dat hyperonen moeten verschijnen. Echter, als ze op bepaalde manieren te sterk met elkaar interageren, zouden ze deze sterren doen instorten onder hun eigen zwaartekracht, waardoor ze de enorme omvang niet zouden kunnen bereiken die astronomen daadwerkelijk waarnemen. Om dit conflict op te lossen, hebben wetenschappers nauwkeurige metingen nodig van hoe hyperonen en protonen op elkaar duwen of trekken, een taak die moeilijk is gebleven omdat hyperonen bijna onmiddellijk vervallen en moeilijk te vangen zijn tijdens het moment van interactie.

Een onderzoeker die gebruikmaakt van de ALICE-detector bij de Large Hadron Collider in Genève heeft eindelijk een grote stap voorwaarts gezet door deze interactie voor het eerst te meten. Ze richtten zich op een specifiek paar: een proton en een positief geladen hyperon genaamd de $\Sigma^+$. Om hen te bestuderen, lieten ze protonen op elkaar botsen bij een energie van 13 biljoen elektronvolt, waarbij een regen van nieuwe deeltjes ontstond. Onder de miljarden botsingen zochten ze naar gebeurtenissen met een hoge multipliciteit, waarbij het puin zo druk was dat de kans om een proton en een $\Sigma^+$-hyperon dicht bij elkaar geboren te zien, aanzienlijk groter was. De uitdaging was dat de $\Sigma^+$ onmiddellijk vervalt in een proton en een neutraal pion, die vervolgens verdwijnt in twee fotonen. Omdat de $\Sigma^+$ zo'n vluchtig moment leeft, konden ze deze niet direct volgen. In plaats daarvan gebruikten ze een slimme reconstructiemethode, waarbij ze het zichtbare proton en één van de fotonen volgden, terwijl ze wiskundig het pad en de impuls van het ontbrekende tweede foton afleidden om exact te bepalen waar de $\Sigma^+$ zich had bevonden.

Zodra ze deze miljoenen paren hadden geïdentificeerd, analyseerden ze hoe vaak ze dicht bij elkaar verschenen in vergelijking met hoe vaak ze zouden verschijnen als ze slechts willekeurige buren waren. Als de deeltjes niet zouden interageren, zou hun nabijheid puur een kwestie van toeval zijn. De gegevens onthulden echter een duidelijk patroon: de protonen en $\Sigma^+$-hyperonen vermeden elkaar op een specifieke manier die wees op een afstotende kracht. Door hun metingen te vergelijken met een breed scala aan theoretische modellen, waren ze in staat om verschillende langlopende voorspellingen uit te sluiten. Specifiek vonden ze dat de interactie niet sterk afstotend is, zoals sommige oudere theorieën suggereerden, noch aantrekkend, zoals andere modellen voorstelden. In plaats daarvan wijzen de gegevens op een zeer zwakke afstoting. Deze subtiele duw is sterk genoeg om concurrerende theorieën te onderscheiden, waardoor het veld van mogelijkheden voor hoe materie zich gedraagt bij deze extreme dichtheden effectief wordt vernauwd.

De betekenis van deze bevinding ligt in het vermogen om de toestandsvergelijking van dichte materie te beperken, die beschrijft hoe druk verandert naarmate de dichtheid toeneemt. De resultaten suggereren dat de afstotende kracht tussen protonen en $\Sigma^+$-hyperonen precies goed is om de ineenstorting van neutronensterren te voorkomen, terwijl ze nog steeds kunnen bestaan op de enorme schalen die in het universum worden waargenomen. Ze berekenden de verstrooiingsparameters, wat in essentie de getallen zijn die de sterkte en het bereik van deze interactie definiëren, met een hoge mate van vertrouwen. Hun analyse laat zien dat de interactie consistent is met een specifieke klasse van modellen gebaseerd op mesonuitwisseling, terwijl andere modellen die te veel aantrekking of te veel afstoting voorspellen, worden uitgesloten. Deze meting biedt een zeldzame, directe blik op de krachten die de meest extreme omgevingen in het kosmos beheersen, waardoor een theoretisch raadsel wordt omgezet in een gemeten realiteit.