Kolaboracja ALICE w publikacji Nature1 pokazuje w jaki sposób można precyzyjnie badać własności oddziaływań silnych pomiędzy hadronami produkowanymi na LHC.
Hadrony są złożonymi obiektami składającymi się z dwóch lub trzech kwarków walencyjnych związanych silnym oddziaływaniem. Oddziaływanie silne odpowiedzialne jest również za związanie protonów i neutronów w jadrach atomowych. Obecnie, jednym z największych wyzwań fizyki jądrowej jest zrozumienie własności oddziaływań silnych pomiędzy hadronami w zależności od ich składu kwarkowego, a na bardziej podstawowym poziomie, w zależności od rodzaju oddziałujących kwarków.
W badaniach tych wykorzystuje się obliczenia chromodynamiki kwantowej na siatce, jednak są one obecnie wiarygodne jedynie dla hadronów zawierających ciężkie kwarki, takich jak hiperony, które zawierają przynajmniej jeden kwark dziwny. Eksperymentalnie, takie badania prowadzono wcześniej zderzając hadrony o różnym składzie kwarkowym, ale dla hiperonów nie otrzymano satysfakcjonujących wyników ze względu na ich krótki czas życia (tzn. szybkie rozpady). W związku tym, porównanie danych eksperymentalnych z teorią było do tej pory problematyczne.
Kolaboracja ALICE wykorzystała inną metodę pomiaru oddziaływań silnych pomiędzy hadronami produkowanymi w zderzeniach proton-proton na LHC, w oparciu o różnicę pomiędzy ich pędami tzw. femtoskopię korelacyjną. Metodę tę wykorzystano do pomiaru oddziaływania przeciwnie naładowanych protonów i hiperonów proton-Xi (p-Ξ-) oraz proton-Omega (p-Ω-). Otrzymane wyniki wskazują, że oddziaływanie to jest przyciągające i jest silniejsze od oddziaływania kulombowskiego. Precyzyjnie zmierzone funkcje korelacji dla tych układów barionów wykluczają obecnie powstawanie stanów związanych. Dla układu p-Ξ- jest to w zgodzie z przewidywaniami teoretycznymi w oparciu o obliczenia chromodynamiki kwantowej na siatce z włączeniem oddziaływania kulombowskiego. Natomiast wyniki tych obliczeń dla układu p-Ω-, które przewidują powstawanie stanu związanego tych barionów, wyraźnie różnią się od zmierzonych wartości.
Metoda ta może być wykorzystywana do pomiaru własności oddziaływań silnych pomiędzy dowolną parą hadronów (hiperonów) produkowanych w zderzeniach na LHC. Jest to niezwykle istotne w kontekście badania równania stanu najbardziej gęstych obiektów kosmicznych, gwiazd neutronowych, we wnętrzu których oczekujemy dużej gęstości różnego rodzaju hiperonów.
1 ALICE Collaboration, “Unveiling the strong interaction among hadrons at the LHC”, Nature 588, 232–238 (2020)