Магнитные поля оставляют отпечаток на ядерной материи

Новости сегодня - Магнитные поля оставляют отпечаток на ядерной материи

Новый анализ, проведенный коллаборацией STAR на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC), коллайдере частиц в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE), представляет собой первое прямое свидетельство отпечатка, оставленного тем, что может быть самым мощным во Вселенной. магнитные поля на «деконфайнментированной» ядерной материи. Доказательства получены в результате измерения того, как частицы с разным зарядом разделяются при возникновении в результате столкновений атомных ядер на этом пользовательском объекте Управления науки Министерства энергетики США.

Как описано в журнале Physical Review X, данные показывают, что мощные магнитные поля, генерируемые в результате нецентральных столкновений, индуцируют электрический ток в кварках и глюонах, которые освобождаются или освобождаются от протонов и нейтронов в результате столкновений частиц.

Полученные результаты дают ученым новый способ изучения электропроводности этой «кварк-глюонной плазмы» (КГП), чтобы узнать больше об этих фундаментальных строительных блоках атомных ядер.

«Это первое измерение того, как магнитное поле взаимодействует с кварк-глюонной плазмой (КГП)», — сказал Дию Шен, физик STAR из Университета Фудань в Китае и руководитель нового анализа. Фактически, измерение влияния этого взаимодействия предоставляет прямое доказательство существования этих мощных магнитных полей.

Мощнее нейтронной звезды

Ученые давно полагали, что нецентральные столкновения тяжелых атомных ядер, таких как золото, также известных как тяжелые ионы, будут генерировать мощные магнитные поля. Это потому, что некоторые из не сталкивающихся положительно заряженных протонов (и нейтральных нейтронов), составляющих ядра, будут вращаться, когда ионы будут сталкиваться друг с другом со скоростью, близкой к скорости света.

«Эти быстро движущиеся положительные заряды должны генерировать очень сильное магнитное поле, по прогнозам, силой 10 ¹⁸ гаусс», — сказал Ганг Ванг, физик STAR из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Для сравнения он отметил, что нейтронные звезды, самые плотные объекты во Вселенной, имеют поля около 10 ¹⁴ гаусс, в то время как магниты холодильника создают поле около 100 гаусс, а защитное магнитное поле нашей родной планеты составляет всего 0,5 гаусс.

«Это, вероятно, самое сильное магнитное поле в нашей Вселенной».

Но поскольку при столкновении тяжелых ионов все происходит очень быстро, поле длится недолго. Он рассеивается менее чем за 10–23 ^{секунды} (десять миллионных миллиардной или миллиардной доли секунды), что затрудняет наблюдение.

Поэтому вместо того, чтобы пытаться измерить поле напрямую, ученые STAR искали доказательства его воздействия на частицы, вылетающие в результате столкновений.

«В частности, мы изучали коллективное движение заряженных частиц», — сказал Ван.

Обнаружение отклонения

Хорошо известно, что магнитные поля могут влиять на движение заряженных частиц и даже индуцировать электромагнитные поля в проводящих формах материи, таких как металлы. Здесь происходит то же самое, но в гораздо меньших масштабах.

«Мы хотели посмотреть, отклоняются ли заряженные частицы, генерируемые в результате столкновений нецентральных тяжелых ионов, таким образом, который можно объяснить только существованием электромагнитного поля в крошечных пятнышках КГП, созданных в этих столкновениях», — сказал Айхонг Тан. , физик Брукхейвенской лаборатории и член коллаборации STAR.

Команда использовала сложные детекторные системы STAR для отслеживания коллективного движения различных пар заряженных частиц, исключая при этом влияние конкурирующих неэлектромагнитных эффектов. Их больше всего интересовало исключение отклонений, вызванных заряженными кварками, переносимыми в составе сталкивающихся ядер. К счастью, эти «переносимые кварки» создают картину отклонения, противоположную той, которая вызывается электрическим током, индуцированным магнитным полем, известную как индукция Фарадея.

Четкий сигнал

«В конце концов, мы видим закономерность отклонения, зависящего от заряда, которое может быть вызвано только электромагнитным полем в КГП — явный признак индукции Фарадея», — сказал Тан.

Ученые увидели этот сильный сигнал не только в нецентральных столкновениях двух ядер золота при высоких энергиях (золото-золото при 200 миллиардах электронвольт, или ГэВ), но также и в нецентральных столкновениях более мелких ядер — рутения-рутения и циркония. цирконий, оба при энергии 200 ГэВ.

«Этот эффект универсален. Он происходит не только в большой системе, но и в системе меньшего размера», — сказал Шен.

Ученые увидели еще более сильный сигнал, когда анализировали данные о столкновениях золота с золотом при относительно низкой энергии: 27 ГэВ. Это открытие дает еще одно подтверждающее доказательство того, что мощные магнитные поля , создаваемые нецентральными столкновениями, индуцируют электромагнитное поле, отклоняющее частицы.

Это потому, что индукция Фарадея возникает по мере рассеивания магнитного поля. При столкновениях с более низкой энергией это происходит медленнее.

«Этот эффект сильнее при более низкой энергии, потому что время жизни магнитного поля больше при более низкой энергии; скорость ядерных фрагментов ниже, поэтому магнитное поле и его эффекты длятся дольше», — сказал Ван.

Подразумеваемое

Теперь, когда у ученых есть доказательства того, что магнитные поля индуцируют электромагнитное поле в КГП, они могут использовать индукцию для исследования проводимости КГП.

«Это фундаментальное и важное свойство», — сказал Шен. «Мы можем вывести значение проводимости на основе наших измерений коллективного движения. Степень отклонения частиц напрямую связана с силой электромагнитного поля и проводимостью в КГП — и никто не измерял проводимость КГП. до.»

Понимание фундаментальных электромагнитных свойств КГП может дать понимание важных вопросов физики. Во-первых, магнитные поля, вызывающие электромагнитные эффекты, могут способствовать интересному разделению частиц по их «направленности» или хиральности.

«Это исследование дает убедительные доказательства существования магнитного поля, которое является одной из предпосылок этого «хирального магнитного эффекта», — сказал Шен.

Магнитное поле и электромагнитные свойства КГП также играют роль в определении условий, при которых свободные, деконфайнментированные кварки и глюоны объединяются с образованием составных частиц, называемых адронами, таких как протоны и нейтроны, составляющие обычные ядра.

«Мы хотим составить ядерную «фазовую диаграмму», которая показывает, при какой температуре кварки и глюоны можно считать свободными, а при какой температуре они «замерзнут», превратившись в адроны. Эти свойства и фундаментальные взаимодействия кварков и глюонов , которые опосредованы сильной силой, будут изменены под воздействием чрезвычайно сильного электромагнитного поля», — сказал Ван.

С помощью этого нового исследования электромагнитных свойств КГП, добавил он, «мы сможем исследовать эти фундаментальные свойства в другом измерении, чтобы получить больше информации о сильном взаимодействии».

На данный момент, отметили ученые, теоретики будут изучать эти результаты, чтобы уточнить интерпретации.

Новости партнеров: