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

No coração profundo da matéria, onde prótons e nêutrons se ligam para formar os núcleos dos átomos, existe uma camada oculta de complexidade envolvendo partículas conhecidas como hiperons. Estes são primos dos prótons e nêutrons familiares, mas carregam uma propriedade chamada "estranheza", que os torna mais pesados e instáveis. Compreender como os hiperons interagem com os prótons comuns não é apenas uma questão de curiosidade sobre o mundo subatômico; é essencial para resolver um mistério cósmico. Nos núcleos densos e esmagadores das estrelas de nêutrons, onde a matéria é tão compactada que uma única colher de chá pesaria bilhões de toneladas, os físicos acreditam que os hiperons devem aparecer. No entanto, se eles interagirem fortemente demais de certas maneiras, fariam essas estrelas colapsar sob sua própria gravidade, impedindo que atingissem os tamanos massivos que os astrônomos realmente observam. Para resolver este conflito, os cientistas precisam de medições precisas de como os hiperons e os prótons se empurram ou se puxam, uma tarefa que tem permanecido difícil porque os hiperons decaem quase instantaneamente e são difíceis de capturar no ato da interação.

Um pesquisador utilizando o detector ALICE no Grande Colisor de Hádrons em Genebra finalmente deu um grande passo à frente ao medir esta interação pela primeira vez. Eles focaram em um par específico: um próton e um hiperon de carga positiva chamado $\Sigma^+$. Para estudá-los, colidiram prótons a uma energia de 13 trilhões de elétron-volts, criando uma chuva de novas partículas. Entre os bilhões de colisões, eles buscaram eventos de alta multiplicidade, onde os detritos eram tão povoados que as chances de encontrar um próton e um hiperon $\Sigma^+$ nascidos próximos uns dos outros eram significativamente maiores. O desafio era que o $\Sigma^+$ decai imediatamente em um próton e um píon neutro, que então desaparece em dois fótons. Como o $\Sigma^+$ vive por um momento tão fugaz, eles não puderam rastreá-lo diretamente. Em vez disso, utilizaram um método de reconstrução inteligente, rastreando o próton visível e um dos fótons enquanto deduziam matematicamente o caminho e o momento do segundo fóton ausente para localizar exatamente onde o $\Sigma^+$ estivera.

Uma vez identificados milhões desses pares, eles analisaram a frequência com que apareciam próximos uns dos outros em comparação com a frequência com que apareceriam se fossem apenas vizinhos aleatórios. Se as partículas não interagissem, sua proximidade seria puramente uma questão de acaso. No entanto, os dados revelaram um padrão claro: os prótons e os hiperons $\Sigma^+$ estavam evitando uns aos outros de uma forma específica que indicava uma força repulsiva. Ao comparar suas medições contra uma ampla gama de modelos teóricos, eles foram capazes de descartar várias previsões de longa data. Especificamente, descobriram que a interação não é fortemente repulsiva, como sugeriam algumas teorias antigas, nem é atrativa, como propunham outros modelos. Em vez disso, os dados apontam para uma repulsão muito fraca. Este empurrão sutil é forte o suficiente para distinguir entre teorias concorrentes, estreitando efetivamente o campo de possibilidades de como a matéria se comporta nessas densidades extremas.

A significância desta descoberta reside na sua capacidade de restringir a equação de estado da matéria densa, que descreve como a pressão muda conforme a densidade aumenta. Os resultados sugerem que a força repulsiva entre prótons e hiperons $\Sigma^+$ é justa para evitar o colapso das estrelas de nêutrons, permitindo ao mesmo tempo que elas existam nas escalas massivas observadas no universo. Eles calcularam os parâmetros de espalhamento, que são essencialmente os números que definem a força e o alcance desta interação, com um alto grau de confiança. Sua análise mostra que a interação é consistente com uma classe específica de modelos baseados na troca de mésons, enquanto exclui outros que preveem ou muita atração ou muita repulsão. Esta medição proporciona um vislumbre raro e direto das forças que governam os ambientes mais extremos do cosmos, transformando um enigma teórico em uma realidade medida.