Super starke magnetische Felder hinterlassen einen Abdruck auf Kernmaterie

23. Februar 2024

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von Karen McNulty Walsh, Peter Genzer, Brookhaven National Laboratory

Eine neue Analyse der STAR-Kollaboration am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), einem Teilchenbeschleuniger am Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE), liefert den ersten direkten Nachweis des Abdrucks, den möglicherweise die mächtigsten magnetischen Felder des Universums auf "entbundener" Atomarem Materie hinterlassen. Der Nachweis ergibt sich aus der Messung der Art und Weise, wie sich unterschiedlich geladene Teilchen voneinander trennen, wenn sie aus Kollisionen von Atomkernen an dieser DOE Office of Science-Einrichtung hervorgehen.

Wie in der Zeitschrift Physical Review X beschrieben, deuten die Daten darauf hin, dass in nichtzentralen Kollisionen erzeugte mächtige magnetische Felder einen elektrischen Strom in den von Protonen und Neutronen freigesetzten oder freigelegten Quarks und Gluonen induzieren.

Die Ergebnisse geben den Wissenschaftlern eine neue Möglichkeit, die elektrische Leitfähigkeit dieses "Quark-Gluon-Plasmas" (QGP) zu untersuchen, um mehr über diese fundamentalen Bausteine der Atomkerne zu erfahren.

'Dies ist die erste Messung, wie das magnetische Feld mit dem Quark-Gluon-Plasma (QGP) interagiert', sagte Diyu Shen, ein STAR-Physiker von der Fudan Universität in China und ein Leiter der neuen Analyse. Tatsächlich liefert die Messung der Auswirkung dieser Interaktion einen direkten Nachweis dafür, dass diese mächtigen magnetischen Felder existieren.

Wissenschaftler glauben schon lange, dass nicht-zentrale Kollisionen von schweren Atomkernen wie Gold, auch als Schwere Ionen bekannt, mächtige magnetische Felder erzeugen würden. Das liegt daran, dass einige der nicht-kollidierenden positiv geladenen Protonen - und neutralen Neutronen -, die die Kerne bilden, beim Schwenken der Ionen aneinander bei annähernder Lichtgeschwindigkeit in Bewegung versetzt würden.

'Diese schnell bewegenden positiven Ladungen sollten ein sehr starkes magnetisches Feld erzeugen, das auf 1018 Gauss geschätzt wird', sagte Gang Wang, ein STAR-Physiker von der University of California, Los Angeles. Zum Vergleich bemerkte er, dass Neutronensterne, die dichtesten Objekte im Universum, Felder von etwa 1014 Gauss haben, während Kühlschrankmagneten ein Feld von etwa 100 Gauss erzeugen und das schützende Magnetfeld unseres Heimatplaneten nur 0,5 Gauss misst.

'Dies ist wahrscheinlich das stärkste magnetische Feld in unserem Universum.'

Aber weil Dinge in schweren Ionenkollisionen sehr schnell passieren, dauert das Feld nicht lange. Es klingt in weniger als 10-23 Sekunden ab - zehn Millionstel eines Milliardstels eines Milliardstels einer Sekunde -, was es schwierig macht zu beobachten.

Also, anstatt zu versuchen, das Feld direkt zu messen, suchten die STAR-Wissenschaftler nach Hinweisen auf dessen Auswirkungen auf die aus den Kollisionen strömenden Partikel.

'Konkret haben wir die kollektive Bewegung von geladenen Teilchen untersucht', sagte Wang.

Detektion von Ablenkungen

Es ist bekannt, dass magnetische Felder die Bewegung von geladenen Teilchen beeinflussen und sogar elektromagnetische Felder in leitfähigen Formen von Materie wie Metallen induzieren können. Das gleiche passiert hier, aber auf einem viel kleineren Maßstab.

'Wir wollten sehen, ob die in nichtzentralen schweren Ionenkollisionen erzeugten geladenen Teilchen auf eine Art abgelenkt wurden, die nur durch die Existenz eines elektromagnetischen Feldes in den winzigen Flecken von QGP erklärt werden kann, die bei diesen Kollisionen entstehen', sagte Aihong Tang, ein Physiker des Brookhaven Labors und Mitglied der STAR-Kollaboration.

Das Team nutzte die anspruchsvollen Detektorsysteme von STAR, um die kollektive Bewegung verschiedener Paare von geladenen Teilchen zu verfolgen, während sie den Einfluss konkurrierender nicht-elektromagnetischer Effekte ausschlossen. Sie waren am meisten daran interessiert, Ablenkungen durch geladene Quarks auszuschließen, die als Teil der kollidierenden Kerne transportiert wurden. Glücklicherweise erzeugen diese 'transportierten Quarks' ein Muster von Ablenkung, das dem durch die magnetfeldinduzierte elektrische Strömung ausgelösten, bekannt als Faradaysche Induktion, entgegengesetzt ist.

'Letztendlich sehen wir ein Muster von ladungsabhängiger Ablenkung, das nur durch ein elektromagnetisches Feld im QGP - ein klares Zeichen von Faradayscher Induktion - ausgelöst werden kann', sagte Tang.

Die Wissenschaftler sahen dieses starke Signal nicht nur bei nichtzentralen Kollisionen von zwei Goldkernen bei hoher Energie - Gold-Gold bei 200 Milliarden Elektronenvolt, oder GeV -, sondern auch bei nichtzentralen Kollisionen von kleineren Kernen - Ruthenium-Ruthenium und Zirkonium-Zirkonium, beide bei 200 GeV.

'Dieser Effekt ist universell. Er tritt nicht nur in einem großen System auf, sondern auch in einem kleinen System', sagte Shen.

The scientists saw an even stronger signal when they analyzed data from gold-gold collisions at a relatively low energy: 27 GeV. This finding provides more supporting evidence that the powerful magnetic fields generated by off-center collisions induced the particle-deflecting electromagnetic field.

That's because Faraday induction occurs as the magnetic field dissipates. In lower-energy collisions, that happens more slowly.

'This effect is stronger at lower energy because the lifetime of the magnetic field is longer at lower energy; the speed of the nuclear fragments is lower, so the magnetic field and its effects last longer,' said Wang.

Implications

Now that the scientists have evidence that magnetic fields induce an electromagnetic field in the QGP, they can use the induction to probe the QGP's conductivity.

'This is a fundamental and important property,' said Shen. 'We can infer the value of the conductivity from our measurement of the collective motion. The extent to which the particles are deflected relates directly to the strength of the electromagnetic field and the conductivity in the QGP—and no one has measured the conductivity of QGP before.'

Understanding the fundamental electromagnetic properties of the QGP could offer insights into important questions in physics. For one thing, the magnetic fields that induce the electromagnetic effects may contribute to an interesting separation of particles according to their 'handedness,' or chirality.

'This study gives strong evidence of the magnetic field, which is one of the preconditions for this 'chiral magnetic effect',' Shen said.

The magnetic field and electromagnetic properties of the QGP also play a role in determining the conditions under which free, deconfined quarks and gluons coalesce to form composite particles called hadrons—such as the protons and neutrons that make up ordinary nuclei.

'We want to map out the nuclear 'phase diagram,' which shows at which temperature the quarks and gluons can be considered free and at which temperature they will 'freeze out' to become hadrons. Those properties and the fundamental interactions of quarks and gluons, which are mediated by the strong force, will be modified under an extreme electromagnetic field,' said Wang.

With this new probe of the QGP's electromagnetic properties, he added, 'we can investigate these fundamental properties in another dimension to provide more information about the strong interaction.'

For now, the scientists pointed out, theorists will be looking at these results to help refine the interpretations.

Provided by Brookhaven National Laboratory