En ny analys från STAR-samarbetet vid Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), en partikelkolliderare vid US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory, ger det första direkta beviset på avtrycket av vad som kan vara universums mest kraftfulla magnetiska fält på "avgränsad" kärnämne. Bevisen kommer från att mäta hur olika laddade partiklar separeras när de kommer ut från kollisioner av atomkärnor vid denna DOE Office of Science användaranläggning.
Som beskrivs i tidskriften Physical Review X , indikerar data att kraftfulla magnetfält som genereras vid kollisioner utanför centrum inducerar en elektrisk ström i kvarkar och gluoner som frigörs, eller avgränsas, från protoner och neutroner av partikelsammanslagningarna.
Resultaten ger forskare ett nytt sätt att studera den elektriska ledningsförmågan hos denna "kvark-gluonplasma" (QGP) för att lära sig mer om dessa grundläggande byggstenar i atomkärnor.
"Detta är den första mätningen av hur magnetfältet interagerar med kvarg-gluonplasman (QGP)," säger Diyu Shen, en STAR-fysiker från Fudan University i Kina och ledare för den nya analysen. Att mäta effekten av den interaktionen ger faktiskt direkta bevis för att dessa kraftfulla magnetfält existerar.
Forskare har länge trott att kollisioner utanför centrum av tunga atomkärnor som guld, även känd som tunga joner, skulle generera kraftfulla magnetfält. Det beror på att några av de icke-kolliderande positivt laddade protonerna – och neutrala neutroner – som utgör kärnorna skulle ställas i virvling när jonerna sveper varandra nära ljusets hastighet.
"De här snabbrörliga positiva laddningarna borde generera ett mycket starkt magnetfält, förutspått till 10 18 gauss", säger Gang Wang, en STAR-fysiker från University of California, Los Angeles. Som jämförelse noterade han att neutronstjärnor, de tätaste objekten i universum, har fält på cirka 10 14 gauss, medan kylskåpsmagneter producerar ett fält på cirka 100 gauss och vår hemplanets skyddande magnetfält mäter bara 0,5 gauss.
"Detta är förmodligen det starkaste magnetfältet i vårt universum."
Men eftersom saker och ting händer väldigt snabbt vid kraftiga jonkollisioner håller fältet inte länge. Det försvinner på mindre än 10 -23 sekunder – tio miljondelar av en miljarddels miljarddels sekund – vilket gör det svårt att observera.
Så istället för att försöka mäta fältet direkt, letade STAR-forskarna efter bevis för dess inverkan på partiklarna som strömmade ut ur kollisionerna.
"Särskilt tittade vi på den kollektiva rörelsen av laddade partiklar," sa Wang.
Detekterar avböjning
Det är välkänt att magnetfält kan påverka rörelsen av laddade partiklar och till och med inducera elektromagnetiska fält i ledande former av materia som metaller. Det är samma sak som händer här men i mycket mindre skala.
"Vi ville se om de laddade partiklarna som genererades i off-center tunga jonkollisioner avleddes på ett sätt som bara kunde förklaras av förekomsten av ett elektromagnetiskt fält i de små fläckarna av QGP som skapades i dessa kollisioner", säger Aihong Tang , en Brookhaven Lab-fysiker och medlem av STAR-samarbetet.
Teamet använde STARs sofistikerade detektorsystem för att spåra den kollektiva rörelsen av olika par av laddade partiklar samtidigt som de uteslöt påverkan från konkurrerande icke-elektromagnetiska effekter. De var mest intresserade av att utesluta avböjningar orsakade av laddade kvarkar som transporterades med som en del av de kolliderande kärnorna. Lyckligtvis producerar dessa "transporterade kvarkar" ett avböjningsmönster som är motsatt det som utlöses av den magnetfältsinducerade elektriska strömmen, känd som Faraday-induktion.
"I slutändan ser vi ett mönster av laddningsberoende avböjning som bara kan triggas av ett elektromagnetiskt fält i QGP - ett tydligt tecken på Faraday-induktion," sa Tang.
Forskarna såg denna starka signal inte bara vid kollisioner utanför centrum av två guldkärnor med hög energi – guld-guld vid 200 miljarder elektronvolt, eller GeV – utan också i kollisioner utanför centrum av mindre kärnor – rutenium-rutenium och zirkonium- zirkonium, båda vid 200 GeV.
"Denna effekt är universell. Den händer inte bara i ett stort system utan också i ett mindre system", sa Shen.
Forskarna såg en ännu starkare signal när de analyserade data från guld-guldkollisioner vid en relativt låg energi:27 GeV. Detta fynd ger mer stödjande bevis för att de kraftfulla magnetfält som genereras av kollisioner utanför centrum inducerade det partikelavböjande elektromagnetiska fältet.
Det beror på att Faraday-induktion sker när magnetfältet försvinner. Vid lågenergikollisioner sker det långsammare.
"Denna effekt är starkare vid lägre energi eftersom livslängden för magnetfältet är längre vid lägre energi; hastigheten på kärnfragmenten är lägre, så magnetfältet och dess effekter varar längre", sa Wang.
Konsekvenser
Nu när forskarna har bevis för att magnetfält inducerar ett elektromagnetiskt fält i QGP, kan de använda induktionen för att undersöka QGP:s konduktivitet.
"Detta är en grundläggande och viktig egenskap", sa Shen. "Vi kan sluta oss till värdet av konduktiviteten från vår mätning av den kollektiva rörelsen. I vilken utsträckning partiklarna avböjs relaterar direkt till styrkan hos det elektromagnetiska fältet och konduktiviteten i QGP - och ingen har mätt konduktiviteten hos QGP innan."
Att förstå de grundläggande elektromagnetiska egenskaperna hos QGP kan ge insikter i viktiga frågor inom fysiken. För det första kan de magnetiska fälten som inducerar de elektromagnetiska effekterna bidra till en intressant separering av partiklar enligt deras "handedness" eller chiralitet.
"Denna studie ger starka bevis på magnetfältet, vilket är en av förutsättningarna för denna "kirala magnetiska effekt", säger Shen.
Det magnetiska fältet och de elektromagnetiska egenskaperna hos QGP spelar också en roll för att bestämma villkoren under vilka fria, avgränsade kvarkar och gluoner sammansmälter för att bilda sammansatta partiklar som kallas hadroner – som de protoner och neutroner som utgör vanliga kärnor.
"Vi vill kartlägga det nukleära 'fasdiagrammet', som visar vid vilken temperatur kvarkarna och gluonerna kan anses vara fria och vid vilken temperatur de kommer att 'frysa ut' för att bli hadroner. Dessa egenskaper och de grundläggande interaktionerna mellan kvarkar och gluoner , som förmedlas av den starka kraften, kommer att modifieras under ett extremt elektromagnetiskt fält," sa Wang.
Med den här nya sonden för QGP:s elektromagnetiska egenskaper, tillade han, "kan vi undersöka dessa grundläggande egenskaper i en annan dimension för att ge mer information om den starka interaktionen."
För nu, påpekade forskarna, kommer teoretiker att titta på dessa resultat för att hjälpa till att förfina tolkningarna.
Mer information: 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
Tillhandahålls av Brookhaven National Laboratory
