Bevindingen van fysici van Rice University die werken aan de Europe's Large Hadron Collider (LHC) bieden nieuw inzicht in een exotische toestand van materie, het "quark-gluon-plasma", dat optreedt wanneer protonen en neutronen smelten.

Als de krachtigste deeltjesversneller op aarde, de LHC is in staat om de kernen van atomen met bijna de snelheid van het licht samen te breken. De energie die vrijkomt bij deze botsingen is enorm en stelt natuurkundigen in staat om de hete, dichte omstandigheden die bestonden in het vroege heelal. Quark-gluon plasma, of QGP, is een energierijke soep van deeltjes die wordt gevormd wanneer protonen en neutronen smelten bij temperaturen die enkele biljoenen kelvin naderen.

In een recent artikel in Fysieke beoordelingsbrieven geschreven namens meer dan 2, 000 wetenschappers werken aan het Compact Muon Solenoid (CMS) experiment van de LHC, Rijstfysici Wei Li en Zhoudunming (Kong) Tu stelden een nieuwe benadering voor voor het bestuderen van een karakteristieke magnetische eigenschap van QGP, het "chirale magnetische effect" (CME). Hun aanpak maakt gebruik van botsingen tussen protonen en loodkernen. CME is een elektromagnetisch fenomeen dat ontstaat als gevolg van de kwantummechanica en ook gerelateerd is aan zogenaamde topologische fasen van materie, een gebied van de fysica van de gecondenseerde materie dat wereldwijd meer aandacht heeft gekregen sinds het winnen van de Nobelprijs voor natuurkunde in 2016.

"Het vinden van bewijs voor het chirale magnetische effect en dus de topologische fasen in hete QGP-materie is al geruime tijd een belangrijk doel op het gebied van hoogenergetische kernfysica, " zei Li. "Vroege bevindingen, hoewel indicatief voor de CME, nog steeds niet uitsluitsel, voornamelijk vanwege andere achtergrondprocessen die moeilijk te controleren en te kwantificeren zijn."

QGP werd voor het eerst geproduceerd rond 2000 bij de Relativistic Heavy Ion Collider in New York en later bij de LHC in 2010. In die experimenten, natuurkundigen sloegen twee snel bewegende loden kernen tegen elkaar, elk met 82 protonen en 126 neutronen, de twee bouwstenen van alle atoomkernen. Omdat de smeltende protonen in deze botsingen elk een positieve elektrische lading dragen, de QGP's van deze experimenten bevatten enorm sterke magnetische velden, die naar schatting ongeveer een biljoen keer sterker zijn dan het sterkste magnetische veld dat ooit in een laboratorium is gecreëerd.

Het chiraal magnetische effect is een exotisch asymmetrisch elektromagnetisch effect dat alleen ontstaat door de combinatie van kwantummechanica en de extreme fysieke omstandigheden in een QGP. De wetten van de klassieke elektrodynamica zouden het bestaan ​​van een dergelijke toestand verbieden, en inderdaad, Li's inspiratie voor de nieuwe experimenten kwam voort uit het denken over het probleem in klassieke termen.

"Ik werd geïnspireerd door een probleem in een niet-gegradueerde cursus die ik doceerde over klassieke elektrodynamica, ' zei Li.

Twee jaar geleden ontdekte Li dat frontale botsingen bij LHC tussen een loden kern en een enkel proton kleine hoeveelheden deeltjes creëerden die zich als een vloeistof leken te gedragen. Bij nadere analyse, hij en collega's van CMS ontdekten dat de botsingen kleine hoeveelheden QGP veroorzaakten.

In een rapport van Rice News uit 2015 over de ontdekking, Rijst-alumnus Don Lincoln, een deeltjesfysicus en natuurkundig communicator bij Fermilab, schreef, "Dit resultaat was verrassend, want wanneer het proton de loden kern raakt, het slaat een gat door een groot deel van de kern, alsof je met een geweer op een watermeloen schiet (in tegenstelling tot twee loden kernen, dat is alsof je twee watermeloenen tegen elkaar slaat)."

Li zei, "Een ongewoon ding over de druppeltjes van QGP die worden gecreëerd bij botsingen tussen protonen en lood, is de configuratie van hun magnetische velden. De QGP wordt gevormd nabij het midden van de initiële loodkern, wat het gemakkelijk maakt om te zien dat de sterkte van het magnetische veld nogal verwaarloosbaar is in vergelijking met de QGP die wordt gecreëerd bij lood-loodbotsingen. Als resultaat, proton-loodbotsingen bieden ons een middel om het magnetische veld - en het CME-signaal - in een QGP op een goed gecontroleerde manier uit te schakelen."

In de nieuwe krant Li, Tu en hun CMS-collega's toonden bewijs van proton-lead botsingsgegevens die helpen licht te werpen op het elektromagnetische gedrag dat voortkomt uit het chirale magnetische effect in lead-lead QGP's.

Li zei dat er nog meer details moeten worden uitgewerkt voordat een definitieve conclusie kan worden getrokken, maar hij zei dat de resultaten een goed voorteken zijn voor toekomstige QGP-ontdekkingen bij de LHC.

"Dit is slechts een eerste stap in een nieuwe weg die is geopend door proton-kernbotsingen voor het zoeken naar exotische topologische fasen in QGP, " zei Li. "We werken er hard aan om meer gegevens te verzamelen en een reeks nieuwe onderzoeken uit te voeren. Hopelijk, in de komende jaren, we zullen het eerste directe bewijs voor het chirale magnetische effect zien."