Super stærke magnetiske felter efterlader aftryk på nukleart stof

En ny analyse foretaget af STAR-samarbejdet ved Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), en partikelkolliderer ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Brookhaven National Laboratory, giver det første direkte bevis på det aftryk, der er efterladt af, hvad der kan være universets mest kraftfulde magnetiske felter på "afgrænset" nukleart stof. Beviserne kommer fra måling af måden, hvorpå forskelligt ladede partikler adskilles, når de kommer fra kollisioner af atomkerner på denne DOE Office of Science brugerfacilitet.

Som beskrevet i tidsskriftet Physical Review X , viser dataene, at kraftige magnetiske felter, der genereres i kollisioner uden for centrum, inducerer en elektrisk strøm i kvarkerne og gluonerne, der er frigivet eller afgrænset fra protoner og neutroner af partikelsammenbrud.

Resultaterne giver videnskabsmænd en ny måde at studere den elektriske ledningsevne af dette "kvark-gluon plasma" (QGP) for at lære mere om disse grundlæggende byggesten i atomkerner.

"Dette er den første måling af, hvordan magnetfeltet interagerer med kvark-gluon-plasmaet (QGP)," sagde Diyu Shen, en STAR-fysiker fra Fudan University i Kina og leder af den nye analyse. Faktisk giver måling af virkningen af ​​denne interaktion direkte bevis for, at disse kraftige magnetfelter eksisterer.

Stærkere end en neutronstjerne

Forskere har længe troet, at off-center kollisioner af tunge atomkerner såsom guld, også kendt som tunge ioner, ville generere kraftige magnetiske felter. Det skyldes, at nogle af de ikke-kolliderende positivt ladede protoner – og neutrale neutroner – der udgør kernerne, ville blive sat i hvirvler, når ionerne sidestryger hinanden tæt på lysets hastighed.

"Disse hurtigt bevægende positive ladninger burde generere et meget stærkt magnetisk felt, der forventes at være 10 ¹⁸ gauss," sagde Gang Wang, en STAR-fysiker fra University of California, Los Angeles. Til sammenligning bemærkede han, at neutronstjerner, de tætteste objekter i universet, har felter på omkring 10 ¹⁴ gauss, mens køleskabsmagneter producerer et felt på omkring 100 gauss, og vores hjemmeplanets beskyttende magnetfelt måler kun 0,5 gauss.

"Dette er sandsynligvis det stærkeste magnetfelt i vores univers."

Men fordi ting sker meget hurtigt ved kraftige ionkollisioner, holder marken ikke længe. Det forsvinder på mindre end 10 ^-23 sekunder – ti milliontedele af en milliardtedel af en milliardtedel af et sekund – hvilket gør det svært at observere.

Så i stedet for at prøve at måle feltet direkte, ledte STAR-forskerne efter beviser for dets indvirkning på de partikler, der strømmede ud af kollisionerne.

"Specifikt kiggede vi på den kollektive bevægelse af ladede partikler," sagde Wang.

Detekterer afbøjning

Det er velkendt, at magnetiske felter kan påvirke bevægelsen af ​​ladede partikler og endda inducere elektromagnetiske felter i ledende former for stof, såsom metaller. Det er det samme, der sker her, men i meget mindre målestok.

"Vi ønskede at se, om de ladede partikler genereret i off-center tunge ion-kollisioner blev afbøjet på en måde, der kun kunne forklares ved eksistensen af ​​et elektromagnetisk felt i de små pletter af QGP skabt i disse kollisioner," sagde Aihong Tang , en Brookhaven Lab-fysiker og medlem af STAR-samarbejdet.

Holdet brugte STARs sofistikerede detektorsystemer til at spore den kollektive bevægelse af forskellige par ladede partikler, mens de udelukkede indflydelsen fra konkurrerende ikke-elektromagnetiske effekter. De var mest interesserede i at udelukke afbøjninger forårsaget af ladede kvarker, der blev transporteret med som en del af de kolliderende kerner. Heldigvis producerer disse "transporterede kvarker" et afbøjningsmønster modsat det, der udløses af den magnetfelt-inducerede elektriske strøm, kendt som Faraday-induktion.

Et klart signal

"I sidste ende ser vi et mønster af ladningsafhængig afbøjning, der kun kan udløses af et elektromagnetisk felt i QGP - et klart tegn på Faraday-induktion," sagde Tang.

Forskerne så dette stærke signal ikke kun i off-center kollisioner af to guldkerner ved høj energi – guld-guld ved 200 milliarder elektronvolt eller GeV – men også i off-center kollisioner af mindre kerner – ruthenium-ruthenium og zirconium- zirconium, begge ved 200 GeV.

"Denne effekt er universel. Den sker ikke kun i et stort system, men også i et mindre system," sagde Shen.

Forskerne så et endnu stærkere signal, da de analyserede data fra guld-guld-kollisioner ved en relativt lav energi:27 GeV. Dette fund giver mere understøttende bevis for, at de kraftige magnetiske felter, der genereres af kollisioner uden for midten, inducerede det partikelafbøjende elektromagnetiske felt.

Det skyldes, at Faraday-induktion opstår, når magnetfeltet forsvinder. Ved lavenergikollisioner sker det langsommere.

"Denne effekt er stærkere ved lavere energi, fordi magnetfeltets levetid er længere ved lavere energi; hastigheden af ​​de nukleare fragmenter er lavere, så magnetfeltet og dets virkninger varer længere," sagde Wang.

Konsekvenser

Nu hvor forskerne har beviser for, at magnetiske felter inducerer et elektromagnetisk felt i QGP, kan de bruge induktionen til at undersøge QGP's ledningsevne.

"Dette er en grundlæggende og vigtig egenskab," sagde Shen. "Vi kan udlede værdien af ​​ledningsevnen ud fra vores måling af den kollektive bevægelse. I hvilken grad partiklerne afbøjes, er direkte relateret til styrken af ​​det elektromagnetiske felt og ledningsevnen i QGP'en - og ingen har målt ledningsevnen af ​​QGP'en. før."

Forståelse af de grundlæggende elektromagnetiske egenskaber ved QGP kan give indsigt i vigtige spørgsmål inden for fysik. For det første kan de magnetiske felter, der inducerer de elektromagnetiske effekter, bidrage til en interessant adskillelse af partikler i henhold til deres "handedness" eller chiralitet.

"Denne undersøgelse giver stærke beviser for det magnetiske felt, som er en af ​​forudsætningerne for denne 'chirale magnetiske effekt'," sagde Shen.

Det magnetiske felt og de elektromagnetiske egenskaber af QGP spiller også en rolle i at bestemme de betingelser, hvorunder frie, afgrænsede kvarker og gluoner smelter sammen for at danne sammensatte partikler kaldet hadroner – såsom protoner og neutroner, der udgør almindelige kerner.

"Vi ønsker at kortlægge det nukleare 'fasediagram', som viser, ved hvilken temperatur kvarkerne og gluonerne kan betragtes som frie, og ved hvilken temperatur de vil 'fryse ud' for at blive hadroner. Disse egenskaber og de grundlæggende vekselvirkninger mellem kvarker og gluoner , som er medieret af den stærke kraft, vil blive modificeret under et ekstremt elektromagnetisk felt," sagde Wang.

Med denne nye sonde af QGP's elektromagnetiske egenskaber, tilføjede han, "kan vi undersøge disse grundlæggende egenskaber i en anden dimension for at give mere information om den stærke interaktion."

For nu, påpegede forskerne, vil teoretikere se på disse resultater for at hjælpe med at forfine fortolkningerne.

Flere oplysninger: M. I. Abdulhamid et al, Observation of the Electromagnetic Field Effect via Charge-Dependent Directed Flow in Heavy-Ion Collisions at the Relativistic Heavy Ion Collider, Physical Review X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.011028

Leveret af Brookhaven National Laboratory