Resultat från fysiker från Rice University som arbetar vid Europas Large Hadron Collider (LHC) ger ny insikt om ett exotiskt tillstånd av materia som kallas "kvark-gluonplasma" som uppstår när protoner och neutroner smälter.

Som den mest kraftfulla partikelacceleratorn på jorden, LHC kan slå samman kärnorna av atomer med nästan ljusets hastighet. Energin som frigörs vid dessa kollisioner är enorm och gör det möjligt för fysiker att återskapa det heta, täta förhållanden som fanns i det tidiga universum. Quark-gluon plasma, eller QGP, är en högenergisoppa av partiklar som bildas när protoner och neutroner smälter vid temperaturer som närmar sig flera biljoner kelvin.

I en färsk tidning i Fysiska granskningsbrev skriven på uppdrag av fler än 2, 000 forskare som arbetar med LHC:s Compact Muon Solenoid (CMS) experiment, Risfysikerna Wei Li och Zhoudunming (Kong) Tu föreslog ett nytt tillvägagångssätt för att studera en karakteristisk magnetisk egenskap hos QGP som kallas den "kirala magnetiska effekten" (CME). Deras tillvägagångssätt använder kollisioner mellan protoner och blykärnor. CME är ett elektromagnetiskt fenomen som uppstår som en konsekvens av kvantmekaniken och som också är relaterat till så kallade topologiska faser av materia, ett område inom den kondenserade materiens fysik som har väckt ökad uppmärksamhet över hela världen sedan Nobelpriset i fysik togs 2016.

"Att hitta bevis för den kirala magnetiska effekten och därmed topologiska faser i het QGP-materia har varit ett viktigt mål inom högenergikärnfysik under en tid, " sa Li. "Tidiga fynd, även om det tyder på CME, är fortfarande osäker, främst på grund av andra bakgrundsprocesser som är svåra att kontrollera och kvantifiera."

QGP producerades först runt 2000 vid Relativistic Heavy Ion Collider i New York och senare vid LHC 2010. I dessa experiment, fysiker krossade två snabbrörliga blykärnor, var och en med 82 protoner och 126 neutroner, de två byggstenarna i alla atomkärnor. Eftersom de smältande protonerna i dessa kollisioner har en positiv elektrisk laddning, QGP från dessa experiment innehöll enormt starka magnetfält, som uppskattas vara ungefär en biljon gånger starkare än det starkaste magnetfält som någonsin skapats i ett laboratorium.

Den kirala magnetiska effekten är en exotisk asymmetrisk elektromagnetisk effekt som bara uppstår på grund av kombinationen av kvantmekanik och de extrema fysiska förhållandena i en QGP. Lagarna för klassisk elektrodynamik skulle förbjuda existensen av ett sådant tillstånd, och verkligen, Lis inspiration till de nya experimenten kom från att tänka på problemet i klassiska termer.

"Jag blev inspirerad av ett problem i en grundkurs som jag undervisade i klassisk elektrodynamik, " sa Li.

För två år sedan upptäckte Li att frontalkollisioner vid LHC mellan en blykärna och en enda proton skapade små mängder partiklar som såg ut att bete sig som en vätska. Vid närmare analys, han och kollegor på CMS fann att kollisionerna skapade små mängder QGP.

I en Rice News-rapport från 2015 om upptäckten, Rice alumn Don Lincoln, en partikelfysiker och fysikkommunikatör på Fermilab, skrev, "Detta resultat var överraskande eftersom när protonen träffar blykärnan, det slår ett hål genom mycket av kärnan, som att skjuta ett gevär mot en vattenmelon (i motsats till att kollidera med två blykärnor, vilket är som att slå ihop två vattenmeloner)."

Li sa, "En ovanlig sak med dropparna av QGP som skapas vid proton-blykollisioner är konfigurationen av deras magnetfält. QGP bildas nära mitten av den initiala blykärnan, vilket gör det lätt att se att styrkan på magnetfältet är ganska försumbar i jämförelse med QGP som skapas vid bly-lead-kollisioner. Som ett resultat, proton-bly-kollisioner ger oss ett sätt att stänga av magnetfältet - och CME-signalen - i en QGP på ett välkontrollerat sätt."

I den nya tidningen, Li, Tu och deras CMS-kollegor visade bevis från proton-bly-kollisionsdata som hjälper till att kasta ljus över de elektromagnetiska beteenden som uppstår från den kirala magnetiska effekten i bly-lead QGPs.

Li sa att fler detaljer fortfarande måste utarbetas innan en definitiv slutsats kan dras, men han sa att resultaten bådar gott för framtida QGP-upptäckter vid LHC.

"Detta är bara ett första steg i en ny väg som öppnats av proton-kärnkollisioner för att söka efter exotiska topologiska faser i QGP, ", sa Li. "Vi arbetar hårt på att samla in mer data och utföra en serie nya studier. Förhoppningsvis, under kommande år, vi kommer att se det första direkta beviset för den kirala magnetiska effekten."