Super strong magnetic fields leave imprint on nuclear matter

23 février 2024

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par Karen McNulty Walsh, Peter Genzer, Brookhaven National Laboratory

Une nouvelle analyse de la collaboration STAR au Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), un collisionneur de particules au Laboratoire National de Brookhaven du Département de l'Énergie des États-Unis, fournit la première preuve directe de l'empreinte laissée par ce qui pourraient être les champs magnétiques les plus puissants de l'univers sur la matière nucléaire 'déconfinée'. Les preuves proviennent de la mesure de la façon dont les particules de charges différentes se séparent en émergeant de collisions de noyaux atomiques dans cette installation utilisateur de l'Office des sciences du DOE.

Comme décrit dans la revue Physical Review X, les données indiquent que les puissants champs magnétiques générés dans des collisions décentrées induisent un courant électrique dans les quarks et les gluons libérés, ou déconfinés, des protons et des neutrons par les collisions de particules.

Les résultats donnent aux scientifiques un nouveau moyen d'étudier la conductivité électrique de ce 'plasma de quarks et de gluons' (QGP) pour en apprendre davantage sur ces blocs fondamentaux constitutifs des noyaux atomiques.

'C'est la première mesure de l'interaction du champ magnétique avec le plasma de quarks et de gluons (QGP)', a déclaré Diyu Shen, physicien de STAR de l'Université Fudan en Chine et leader de la nouvelle analyse. En fait, la mesure de l'impact de cette interaction fournit une preuve directe de l'existence de ces puissants champs magnétiques.

Les scientifiques ont longtemps pensé que des collisions décentrées de noyaux atomiques lourds tels que l'or, également appelés ions lourds, généreraient de puissants champs magnétiques. Cela est dû au fait que certains des protons chargés positivement non collisionnels - et des neutrons neutres - qui constituent les noyaux seraient mis en rotation lorsque les ions se heurtent les uns aux autres à proximité de la vitesse de la lumière.

'Ces charges positives en mouvement rapide devraient générer un champ magnétique très fort, prédit à être de 10¹⁸ gauss', a déclaré Gang Wang, physicien de STAR de l'Université de Californie, Los Angeles. En comparaison, il a noté que les étoiles à neutrons, les objets les plus denses de l'univers, ont des champs d'environ 10¹⁴ gauss, tandis que les aimants de réfrigérateur produisent un champ d'environ 100 gauss et que le champ magnétique protecteur de notre planète mesure à peine 0,5 gauss.

'C'est probablement le champ magnétique le plus fort de notre univers.'

Mais parce que les événements se produisent très rapidement dans les collisions d'ions lourds, le champ ne dure pas longtemps. Il se dissipe en moins de 10*-²³ secondes - soit un dix-millionième de milliardième de milliardième de seconde - ce qui rend difficile son observation.

Ainsi, au lieu d'essayer de mesurer directement le champ, les scientifiques de STAR ont recherché des preuves de son impact sur les particules qui jaillissent des collisions.

'Plus précisément, nous examinions le mouvement collectif des particules chargées', a déclaré Wang.

Détection de la déviation

Il est bien connu que les champs magnétiques peuvent affecter le mouvement des particules chargées et même induire des champs électromagnétiques dans des formes de matière conductrice telles que les métaux. C'est la même chose qui se produit ici mais à une échelle beaucoup plus petite.

'Nous voulions voir si les particules de charge générées dans des collisions décentrées d'ions lourds étaient déviées d'une manière qui ne pourrait être expliquée que par l'existence d'un champ électromagnétique dans les minuscules parcelles de QGP créées dans ces collisions', a déclaré Aihong Tang, physicien du Laboratoire de Brookhaven et membre de la collaboration STAR.

L'équipe a utilisé les systèmes de détecteurs sophistiqués de STAR pour suivre le mouvement collectif de différentes paires de particules chargées tout en éliminant l'influence d'autres effets non électromagnétiques. Ils étaient surtout intéressés par l'élimination des déviations causées par les quarks chargés transportés avec les noyaux en collision. Heureusement, ces 'quarks transportés' produisent un schéma de déviation opposé à celui déclenché par le courant électrique induit par le champ magnétique, connu sous le nom d'induction de Faraday.

'En fin de compte, nous observons un schéma de déviation dépendant de la charge qui ne peut être déclenché que par un champ électromagnétique dans le QGP - un signe clair d'induction de Faraday', a déclaré Tang.

Les scientifiques ont observé ce signal fort non seulement dans les collisions décentrées de deux noyaux d'or à haute énergie - or-or à 200 milliards d'électrons-volts, ou GeV - mais également dans les collisions décentrées de noyaux plus petits - ruthénium-ruthénium et zirconium-zirconium, à la fois à 200 GeV.

'Cet effet est universel. Il se produit non seulement dans un grand système mais aussi dans un système plus petit', a déclaré 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