Los campos magnéticos súper fuertes dejan huella en la materia nuclear

23 de febrero de 2024

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por Karen McNulty Walsh, Peter Genzer, Brookhaven National Laboratory

Un nuevo análisis realizado por la colaboración STAR en el Colisionador de Iones Pesados Relativista (RHIC), un colisionador de partículas en el Laboratorio Nacional de Brookhaven del Departamento de Energía de los Estados Unidos, proporciona la primera evidencia directa de la huella dejada por lo que podrían ser los campos magnéticos más poderosos del universo en la materia nuclear 'desconfina'. La evidencia proviene de medir la forma en que las partículas con cargas diferentes se separan al emerger de colisiones de núcleos atómicos en esta instalación de usuario de la Oficina de Ciencia del DOE.

Según se describe en la revista Physical Review X, los datos indican que los poderosos campos magnéticos generados en colisiones fuera del centro inducen una corriente eléctrica en los quarks y gluones liberados, o desconfinados, de los protones y neutrones por los choques de partículas.

Los hallazgos brindan a los científicos una nueva forma de estudiar la conductividad eléctrica de este 'plasma de quarks y gluones' (QGP) para aprender más sobre estos bloques de construcción fundamentales de los núcleos atómicos.

'Esta es la primera medición de cómo el campo magnético interactúa con el plasma de quarks y gluones (QGP)', dijo Diyu Shen, un físico de STAR de la Universidad de Fudan en China y líder del nuevo análisis. De hecho, medir el impacto de esa interacción proporciona evidencia directa de que estos poderosos campos magnéticos existen.

Los científicos han creído durante mucho tiempo que las colisiones fuera del centro de núcleos atómicos pesados como el oro, también conocidos como iones pesados, generarían campos magnéticos poderosos. Esto se debe a que algunas de las partículas cargadas positivamente no colisionantes, y los neutrones neutrales, que conforman los núcleos, se agitarían a medida que los iones se rozan entre sí a velocidades cercanas a la de la luz.

'Esas cargas positivas de movimiento rápido deberían generar un campo magnético muy fuerte, se predice que sea de 10^18 gauss', dijo Gang Wang, un físico de STAR de la Universidad de California, Los Ángeles. Para hacer una comparación, señaló que las estrellas de neutrones, los objetos más densos del universo, tienen campos de alrededor de 10^14 gauss, mientras que los imanes de refrigerador producen un campo de alrededor de 100 gauss y el campo magnético protector de nuestro planeta mide apenas 0.5 gauss.

'Este es probablemente el campo magnético más fuerte en nuestro universo.'

Pero debido a que las cosas suceden muy rápidamente en las colisiones de iones pesados, el campo no dura mucho. Se disipa en menos de 10^-23 segundos, diez millonésimas de billonésimas de billonésimas de segundo, lo que dificulta su observación.

Así que, en lugar de intentar medir el campo directamente, los científicos de STAR buscaron evidencia de su impacto en las partículas que fluyen fuera de las colisiones.

'Específicamente, estábamos observando el movimiento colectivo de las partículas cargadas', dijo Wang.

Detección de desviación

Es bien sabido que los campos magnéticos pueden afectar el movimiento de las partículas cargadas e incluso inducir campos electromagnéticos en formas conductoras de materia como los metales. Eso es lo mismo que está sucediendo aquí pero en una escala mucho más pequeña.

'Queríamos ver si las partículas cargadas generadas en colisiones fuera del centro de iones pesados estaban siendo desviadas de una manera que solo se pudiera explicar por la existencia de un campo electromagnético en las diminutas partículas de QGP creadas en estas colisiones', dijo Aihong Tang, un físico del Laboratorio Brookhaven, y miembro de la colaboración STAR.

El equipo utilizó sistemas de detección sofisticados de STAR para rastrear el movimiento colectivo de diferentes pares de partículas cargadas mientras descartaban la influencia de otros efectos no electromagnéticos. Estaban más interesados en descartar las desviaciones causadas por quarks cargados transportados junto con los núcleos colisionantes. Afortunadamente, esos 'quarks transportados' producen un patrón de desviación opuesto al desencadenado por la corriente eléctrica inducida por el campo magnético, conocida como inducción de Faraday.

'Al final, vemos un patrón de desviación dependiente de la carga que solo puede ser desencadenado por un campo electromagnético en el QGP, un claro signo de inducción de Faraday', dijo Tang.

Los científicos observaron esta señal fuerte no solo en colisiones fuera del centro de dos núcleos de oro a alta energía -oro-oro a 200 mil millones de electronvoltios, o GeV- sino también en colisiones fuera del centro de núcleos más pequeños -ruteno-ruteno y circonio-circonio, ambos a 200 GeV.

'Este efecto es universal. Ocurre no solo en un sistema grande sino también en un sistema más pequeño', dijo 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