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

在物质的核心深处，质子和中子结合在一起形成原子核，那里存在着一个涉及被称为超子（hyperons）的粒子的隐藏复杂层。这些粒子是熟悉的质子和中子的近亲，但它们携带一种被称为“奇异性”（strangeness）的属性，这使得它们更重且不稳定。理解超子如何与普通质子相互作用，不仅仅是对亚原子世界的好奇；它对于解开一个宇宙之谜至关重要。在中子星致密且具有毁灭性的核心中，物质被压缩得如此之紧密，以至于一茶匙物质就会重达数十亿吨，物理学家认为超子必然会在那里出现。然而，如果它们的某种相互作用方式过强，就会导致这些恒星在自身引力下坍缩，从而无法达到天文学家实际观测到的巨大质量。为了解决这一冲突，科学家需要精确测量超子与质子之间是如何相互推挤或吸引的，由于超子几乎瞬间就会衰变，且难以捕捉其相互作用的过程，这项任务一直极具挑战性。

一位研究人员利用位于日内瓦的大型强子对撞机上的ALICE探测器，通过首次测量这种相互作用，取得了重大进展。他们专注于一对特定的粒子：一个质子和一个带正电的超子，即 $\Sigma^+$。为了研究它们，他们以13万亿电子伏特的能量进行质子对撞，创造出一场新粒子的激流。在数十亿次碰撞中，他们寻找高多重数事件，即碎片极其拥挤，使得发现一个质子和一个 $\Sigma^+$ 超子在出生时彼此靠近的概率显著提高。挑战在于，$\Sigma^+$ 会立即衰变为一个质子和一个中性派（pion），而后者又会消失为两个光子。由于 $\Sigma^+$ 的寿命极其短暂，他们无法直接追踪它。相反，他们使用了一种巧妙的重建方法，追踪可见的质和一个光子，同时通过数学推导缺失的第二个光子的路径和动量，从而精确锁定 $\Sigma^+$ 曾经出现的位置。

在识别出数百万个这样的粒子对后，他们分析了这些粒子在彼此靠近出现的频率，并将其与它们仅仅作为随机邻居时出现的频率进行了比较。如果粒子之间没有相互作用，它们的接近纯粹是偶然现象。然而，数据揭示了一个清晰的模式：质子和 $\Sigma^+$ 超子以一种特定的方式相互避开，这表明存在一种排斥力。通过将他们的测量结果与广泛的理论模型进行对比，他们能够排除几种长期存在的预测。具体而言，他们发现这种相互作用既不像某些旧理论所暗示的那样具有强烈的排斥性，也不像其他模型所提出的那样具有吸引力。相反，数据指向一种非常微弱的排斥。这种细微的推力足以区分竞争性的理论，有效地缩小了关于物质在极端密度下如何行为的可能性范围。

这一发现的意义在于它能够约束致密物质的状态方程，该方程描述了压力如何随密度的增加而变化。结果表明，质子与 $\Sigma^+$ 超子之间的排斥力恰到好处，既能防止中子星坍缩，又能允许它们以在宇宙中观测到的巨大规模存在。他们以高度的置信度计算了散射参数，这些参数本质上是定义这种相互作用强度和范围的数值。他们的分析表明，这种相互作用与基于介子交换（meson exchange）的特定类别的模型是一致的，同时排除了那些预测过度吸引或过度排斥的其他模型。这一测量提供了一个罕见的、直接观察治理宇宙中最极端环境之力的视角，将一个理论难题转化为了可测量的现实。