Una nuova analisi della collaborazione STAR presso il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), un collisore di particelle presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), fornisce la prima prova diretta dell'impronta lasciata da quello che potrebbe essere l'oggetto più potente dell'universo campi magnetici su materia nucleare “deconfinata”. Le prove provengono dalla misurazione del modo in cui le particelle con carica diversa si separano quando emergono dalle collisioni di nuclei atomici presso questa struttura utilizzata dal DOE Office of Science.
Come descritto nella rivista Physical Review X , i dati indicano che potenti campi magnetici generati in collisioni decentrate inducono una corrente elettrica nei quark e nei gluoni liberati, o deconfinati, da protoni e neutroni dalla collisione delle particelle.
I risultati offrono agli scienziati un nuovo modo di studiare la conduttività elettrica di questo "plasma di quark e gluoni" (QGP) per saperne di più su questi elementi fondamentali dei nuclei atomici.
"Questa è la prima misurazione di come il campo magnetico interagisce con il plasma di quark e gluoni (QGP)", ha affermato Diyu Shen, fisico STAR dell'Università di Fudan in Cina e leader della nuova analisi. Infatti, misurare l'impatto di tale interazione fornisce la prova diretta dell'esistenza di questi potenti campi magnetici.
Gli scienziati credono da tempo che le collisioni decentrate di nuclei atomici pesanti come l’oro, noti anche come ioni pesanti, genererebbero potenti campi magnetici. Questo perché alcuni dei protoni carichi positivamente e non in collisione - e dei neutroni neutri - che compongono i nuclei verrebbero messi in movimento mentre gli ioni si spostano lateralmente l'uno verso l'altro a una velocità prossima a quella della luce.
"Quelle cariche positive in rapido movimento dovrebbero generare un campo magnetico molto forte, previsto pari a 10 18 gauss", ha detto Gang Wang, un fisico STAR dell'Università della California, a Los Angeles. Per fare un confronto, ha notato che le stelle di neutroni, gli oggetti più densi dell'universo, hanno campi di circa 10 14 gauss, mentre i magneti da frigorifero producono un campo di circa 100 gauss e il campo magnetico protettivo del nostro pianeta misura solo 0,5 gauss.
"Questo è probabilmente il campo magnetico più forte del nostro universo."
Ma poiché le cose accadono molto rapidamente nelle collisioni di ioni pesanti, il campo non dura a lungo. Si dissipa in meno di 10 -23 secondi - dieci milionesimi di miliardesimo di miliardesimo di secondo - rendendolo difficile da osservare.
Quindi, invece di provare a misurare direttamente il campo, gli scienziati STAR hanno cercato prove del suo impatto sulle particelle che fuoriescono dalle collisioni.
"In particolare, stavamo osservando il movimento collettivo delle particelle cariche", ha detto Wang.
Rilevamento della deflessione
È noto che i campi magnetici possono influenzare il movimento delle particelle cariche e persino indurre campi elettromagnetici in forme conduttive di materia come i metalli. È la stessa cosa che sta accadendo qui, ma su scala molto più piccola.
"Volevamo vedere se le particelle cariche generate nelle collisioni di ioni pesanti fuori centro venivano deviate in un modo che poteva essere spiegato solo dall'esistenza di un campo elettromagnetico nei minuscoli granelli di QGP creati in queste collisioni", ha detto Aihong Tang. , fisico del Brookhaven Lab e membro della collaborazione STAR.
Il team ha utilizzato i sofisticati sistemi di rilevamento di STAR per tracciare il movimento collettivo di diverse coppie di particelle cariche, escludendo l'influenza di effetti non elettromagnetici concorrenti. Erano più interessati ad escludere le deflessioni causate dai quark carichi trasportati come parte dei nuclei in collisione. Fortunatamente, questi "quark trasportati" producono uno schema di deflessione opposto a quello innescato dalla corrente elettrica indotta dal campo magnetico, noto come induzione di Faraday.
"Alla fine, vediamo un modello di deflessione dipendente dalla carica che può essere attivato solo da un campo elettromagnetico nel QGP, un chiaro segno di induzione di Faraday", ha affermato Tang.
Gli scienziati hanno osservato questo forte segnale non solo nelle collisioni fuori centro di due nuclei d'oro ad alta energia - oro-oro a 200 miliardi di elettronvolt, o GeV - ma anche nelle collisioni fuori centro di nuclei più piccoli - rutenio-rutenio e zirconio- zirconio, entrambi a 200 GeV.
"Questo effetto è universale. Si verifica non solo in un sistema grande ma anche in un sistema più piccolo", ha affermato Shen.
Gli scienziati hanno visto un segnale ancora più forte quando hanno analizzato i dati delle collisioni oro-oro a un’energia relativamente bassa:27 GeV. Questa scoperta fornisce ulteriori prove a sostegno del fatto che i potenti campi magnetici generati da collisioni fuori centro inducono il campo elettromagnetico che devia le particelle.
Questo perché l'induzione di Faraday si verifica quando il campo magnetico si dissipa. Nelle collisioni a bassa energia, ciò avviene più lentamente.
"Questo effetto è più forte a un'energia più bassa perché la durata del campo magnetico è più lunga a un'energia più bassa; la velocità dei frammenti nucleari è inferiore, quindi il campo magnetico e i suoi effetti durano più a lungo", ha detto Wang.
Implicazioni
Ora che gli scienziati hanno le prove che i campi magnetici inducono un campo elettromagnetico nel QGP, possono utilizzare l'induzione per sondare la conduttività del QGP.
"Questa è una proprietà fondamentale e importante", ha detto Shen. "Possiamo dedurre il valore della conduttività dalla nostra misurazione del movimento collettivo. La misura in cui le particelle vengono deviate è direttamente correlata alla forza del campo elettromagnetico e alla conduttività nel QGP - e nessuno ha misurato la conduttività del QGP prima."
Comprendere le proprietà elettromagnetiche fondamentali del QGP potrebbe offrire spunti su importanti questioni di fisica. Per prima cosa, i campi magnetici che inducono gli effetti elettromagnetici possono contribuire a un'interessante separazione delle particelle in base alla loro "manualità" o chiralità.
"Questo studio fornisce una forte prova del campo magnetico, che è uno dei prerequisiti per questo 'effetto magnetico chirale'," ha detto Shen.
Il campo magnetico e le proprietà elettromagnetiche del QGP giocano anche un ruolo nel determinare le condizioni in cui quark e gluoni liberi e deconfinati si uniscono per formare particelle composite chiamate adroni, come i protoni e i neutroni che compongono i nuclei ordinari.
"Vogliamo tracciare il 'diagramma di fase' nucleare, che mostri a quale temperatura i quark e i gluoni possono essere considerati liberi e a quale temperatura si 'congelano' per diventare adroni. Queste proprietà e le interazioni fondamentali di quark e gluoni , che sono mediati dalla forza forte, verranno modificati sotto un campo elettromagnetico estremo," ha detto Wang.
Con questa nuova sonda delle proprietà elettromagnetiche del QGP, ha aggiunto, "possiamo indagare queste proprietà fondamentali in un'altra dimensione per fornire maggiori informazioni sull'interazione forte."
Per ora, hanno sottolineato gli scienziati, i teorici esamineranno questi risultati per aiutare a perfezionare le interpretazioni.
Ulteriori informazioni: M. I. Abdulhamid et al, Osservazione dell'effetto del campo elettromagnetico tramite flusso diretto dipendente dalla carica nelle collisioni di ioni pesanti al collisore di ioni pesanti relativistici, Revisione fisica X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.011028
Fornito dal Brookhaven National Laboratory
