Een nieuwe analyse door de STAR-samenwerking bij de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), een deeltjesbotser in het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), levert het eerste directe bewijs van de afdruk die is achtergelaten door wat misschien wel de krachtigste van het universum is magnetische velden op "gedeconfineerde" nucleaire materie. Het bewijs komt van het meten van de manier waarop verschillend geladen deeltjes zich scheiden wanneer ze tevoorschijn komen uit botsingen van atoomkernen in deze gebruikersfaciliteit van het DOE Office of Science.

Zoals beschreven in het tijdschrift Physical Review X , geven de gegevens aan dat krachtige magnetische velden die worden gegenereerd bij botsingen buiten het centrum een ​​elektrische stroom opwekken in de quarks en gluonen die door de botsingen van de deeltjes worden vrijgemaakt of gedelimiteerd van protonen en neutronen.

De bevindingen bieden wetenschappers een nieuwe manier om de elektrische geleidbaarheid van dit ‘quark-gluonplasma’ (QGP) te bestuderen en zo meer te leren over deze fundamentele bouwstenen van atoomkernen.

"Dit is de eerste meting van hoe het magnetische veld interageert met het quark-gluonplasma (QGP)", zegt Diyu Shen, een STAR-fysicus van de Fudan Universiteit in China en leider van de nieuwe analyse. Het meten van de impact van die interactie levert zelfs direct bewijs op dat deze krachtige magnetische velden bestaan.

Krachtiger dan een neutronenster

Wetenschappers hebben lang geloofd dat botsingen buiten het centrum van zware atoomkernen zoals goud, ook bekend als zware ionen, krachtige magnetische velden zouden genereren. Dat komt omdat sommige van de niet-botsende positief geladen protonen (en neutrale neutronen) waaruit de kernen bestaan, in een werveling terecht zouden komen als de ionen elkaar met bijna de snelheid van het licht zijwaarts bewegen.

"Deze snel bewegende positieve ladingen zouden een zeer sterk magnetisch veld moeten genereren, waarvan wordt voorspeld dat het 10 ¹⁸ is gauss', zegt Gang Wang, een STAR-fysicus van de Universiteit van Californië, Los Angeles. Ter vergelijking merkte hij op dat neutronensterren, de dichtste objecten in het universum, velden hebben van ongeveer 10 ¹⁴ gauss, terwijl koelkastmagneten een veld van ongeveer 100 gauss produceren en het beschermende magnetische veld van onze thuisplaneet slechts 0,5 gauss meet.

"Dit is waarschijnlijk het sterkste magnetische veld in ons universum."

Maar omdat dingen heel snel gebeuren bij botsingen met zware ionen, duurt het veld niet lang. Het verdwijnt in minder dan 10 ^-23 seconden – tien miljoenste van een miljardste van een miljardste van een seconde – waardoor het moeilijk te observeren is.

Dus in plaats van te proberen het veld rechtstreeks te meten, zochten de STAR-wetenschappers naar bewijs van de impact ervan op de deeltjes die uit de botsingen voortkwamen.

"In het bijzonder keken we naar de collectieve beweging van geladen deeltjes", zei Wang.

Doorbuiging detecteren

Het is bekend dat magnetische velden de beweging van geladen deeltjes kunnen beïnvloeden en zelfs elektromagnetische velden kunnen veroorzaken in geleidende vormen van materie zoals metalen. Dat is hetzelfde wat hier gebeurt, maar op veel kleinere schaal.

"We wilden zien of de geladen deeltjes die werden gegenereerd bij botsingen met zware ionen buiten het centrum werden afgebogen op een manier die alleen kon worden verklaard door het bestaan ​​van een elektromagnetisch veld in de kleine deeltjes van QGP die bij deze botsingen ontstonden", zegt Aihong Tang. , een natuurkundige uit het Brookhaven Lab en lid van de STAR-samenwerking.

Het team gebruikte de geavanceerde detectorsystemen van STAR om de collectieve beweging van verschillende paren geladen deeltjes te volgen en tegelijkertijd de invloed van concurrerende niet-elektromagnetische effecten uit te sluiten. Ze waren vooral geïnteresseerd in het uitsluiten van afbuigingen die veroorzaakt worden door geladen quarks die meegevoerd worden als onderdeel van de botsende kernen. Gelukkig produceren deze 'getransporteerde quarks' een afbuigingspatroon dat tegengesteld is aan het patroon dat wordt veroorzaakt door de door het magnetische veld geïnduceerde elektrische stroom, bekend als Faraday-inductie.

Een duidelijk signaal

"Uiteindelijk zien we een patroon van ladingsafhankelijke afbuiging dat alleen kan worden veroorzaakt door een elektromagnetisch veld in de QGP – een duidelijk teken van Faraday-inductie", aldus Tang.

De wetenschappers zagen dit sterke signaal niet alleen bij botsingen buiten het midden van twee goudkernen met hoge energie – goud-goud bij 200 miljard elektronvolt of GeV – maar ook bij botsingen buiten het midden van kleinere kernen – ruthenium-ruthenium en zirkonium. zirkonium, beide bij 200 GeV.

"Dit effect is universeel. Het treedt niet alleen op in een groot systeem, maar ook in een kleiner systeem", zegt Shen.

De wetenschappers zagen een nog sterker signaal toen ze gegevens analyseerden van goud-goudbotsingen bij een relatief lage energie:27 GeV. Deze bevinding biedt meer ondersteunend bewijs dat de krachtige magnetische velden die worden gegenereerd door botsingen buiten het midden het deeltjesafbuigende elektromagnetische veld induceren.

Dat komt omdat Faraday-inductie optreedt als het magnetische veld verdwijnt. Bij botsingen met lagere energie gebeurt dat langzamer.

"Dit effect is sterker bij lagere energie, omdat de levensduur van het magnetische veld langer is bij lagere energie; de ​​snelheid van de nucleaire fragmenten is lager, dus het magnetische veld en de effecten ervan duren langer", aldus Wang.

Implicaties

Nu de wetenschappers bewijs hebben dat magnetische velden een elektromagnetisch veld in de QGP veroorzaken, kunnen ze de inductie gebruiken om de geleidbaarheid van de QGP te onderzoeken.

"Dit is een fundamentele en belangrijke eigenschap", zei Shen. “We kunnen de waarde van de geleidbaarheid afleiden uit onze meting van de collectieve beweging. De mate waarin de deeltjes worden afgebogen houdt rechtstreeks verband met de sterkte van het elektromagnetische veld en de geleidbaarheid in de QGP – en niemand heeft de geleidbaarheid van QGP gemeten. vroeger."

Het begrijpen van de fundamentele elektromagnetische eigenschappen van de QGP zou inzicht kunnen bieden in belangrijke vragen in de natuurkunde. Om te beginnen kunnen de magnetische velden die de elektromagnetische effecten veroorzaken, bijdragen aan een interessante scheiding van deeltjes op basis van hun 'handigheid' of chiraliteit.

"Deze studie levert sterk bewijs voor het magnetische veld, dat een van de voorwaarden is voor dit 'chirale magnetische effect'," zei Shen.

Het magnetische veld en de elektromagnetische eigenschappen van de QGP spelen ook een rol bij het bepalen van de omstandigheden waaronder vrije, gedeconfineerde quarks en gluonen samenvloeien om samengestelde deeltjes te vormen die hadronen worden genoemd, zoals de protonen en neutronen waaruit gewone kernen bestaan.

‘We willen het nucleaire ‘fasediagram’ in kaart brengen, dat laat zien bij welke temperatuur de quarks en gluonen als vrij kunnen worden beschouwd en bij welke temperatuur ze zullen ‘bevriezen’ om hadronen te worden. Die eigenschappen en de fundamentele interacties van quarks en gluonen , die worden bemiddeld door de sterke kracht, zullen worden gewijzigd onder een extreem elektromagnetisch veld', zei Wang.

Met dit nieuwe onderzoek naar de elektromagnetische eigenschappen van de QGP, voegde hij eraan toe, "kunnen we deze fundamentele eigenschappen in een andere dimensie onderzoeken om meer informatie te verschaffen over de sterke interactie."

De wetenschappers wezen erop dat theoretici voorlopig naar deze resultaten zullen kijken om de interpretaties te helpen verfijnen.

Meer informatie: M. I. Abdulhamid et al., Observatie van het elektromagnetische veldeffect via ladingsafhankelijke gerichte stroom bij botsingen met zware ionen bij de relativistische zware ionenbotser, Physical Review X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.011028

Geleverd door Brookhaven National Laboratory