Super strong magnetic fields leave imprint on nuclear matter

23 febbraio 2024

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di Karen McNulty Walsh, Peter Genzer, Brookhaven National Laboratory

Una nuova analisi della collaborazione STAR presso il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), un collider di particelle presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), fornisce la prima prova diretta dell'impronta lasciata da ciò che potrebbero essere i campi magnetici più potenti dell'universo sulla materia nucleare "deconfined". L'evidenza deriva dalla misurazione del modo in cui le particelle con carica diversa si separano emergendo dalle collisioni di nuclei atomici in questa struttura dell'Ufficio della Scienza del DOE.

Come descritto nella rivista Physical Review X, i dati indicano che i campi magnetici potenti generati nelle collisioni decentrate inducono una corrente elettrica nei quark e gluoni liberati, o deconfinati, dai protoni e neutroni attraverso le collissioni delle particelle.

I risultati offrono agli scienziati un nuovo modo per studiare la conducibilità elettrica di questo "plasma quark-gluon" (QGP) per saperne di più su questi componenti fondamentali dei nuclei atomici.

"Questa è la prima misurazione di come il campo magnetico interagisce con il plasma quark-gluon (QGP)", ha detto Diyu Shen, fisico di STAR dell'Università di Fudan in Cina e leader della nuova analisi. Infatti, misurare l'impatto di tale interazione fornisce una prova diretta dell'esistenza di questi potenti campi magnetici.

Gli scienziati hanno da tempo creduto che le collisioni decentrate di nuclei atomici pesanti come l'oro, anche noti come ioni pesanti, avrebbero generato campi magnetici potenti. Questo perché alcuni protoni carichi positivamente non coinvolti - e i neutroni neutrali - che compongono i nuclei verrebbero indotti in un vortice mentre gli ioni si sfiorano a velocità prossime a quella della luce.

'Queste cariche positive in rapido movimento dovrebbero generare un campo magnetico molto forte, previsto attorno a 1018 gauss,' ha detto Gang Wang, fisico di STAR dell'Università della California, Los Angeles. A titolo di confronto, ha notato che le stelle di neutroni, gli oggetti più densi nell'universo, hanno campi di circa 1014 gauss, mentre i magneti da frigorifero producono un campo di circa 100 gauss e il campo magnetico protettivo del nostro pianeta misura appena 0,5 gauss.

'Questo è probabilmente il campo magnetico più forte del nostro universo.'

Tuttavia, poiché le cose avvengono molto rapidamente nelle collisioni di ioni pesanti, il campo non dura a lungo. Si dissipa in meno di 10-23 secondi - dieci milionesimi di miliardesimi di miliardesimi di secondo - rendendolo difficile da osservare.

Quindi, anziché cercare di misurare direttamente il campo, gli scienziati di STAR hanno cercato prove del suo impatto sulle particelle che fuoriescono dalle collisioni.

'In particolare, stavamo guardando il movimento collettivo delle particelle cariche,' ha detto Wang.

Rilevare la deviazione

È ben noto che i campi magnetici possono influenzare il movimento delle particelle cariche e persino indurre campi elettromagnetici in forme di materia conduttiva 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 decentrate di ioni pesanti venivano deviate in modo che potesse essere spiegato solo dall'esistenza di un campo elettromagnetico nelle minuscole particelle di QGP create in queste collisioni," ha detto Aihong Tang, fisico del Brookhaven Lab e membro della collaborazione STAR.

Il team ha utilizzato sistemi di rilevamento sofisticati di STAR per tracciare il movimento collettivo di diverse coppie di particelle cariche escludendo l'influenza di effetti competitivi non elettromagnetici. Si interessavano principalmente ad escludere le deviazioni causate da quark carichi trasportati insieme come parte dei nuclei che collidono. Fortunatamente, quei "quark trasportati" producono un modello di deviazione opposto a quello innescato dalla corrente elettrica indotta dal campo magnetico, noto come induzione di Faraday.

'Alla fine, vediamo un modello di deviazione dipendente dalla carica che può essere innescato solo da un campo elettromagnetico nel QGP - un segno chiaro dell'induzione di Faraday,' ha detto Tang.

Gli scienziati hanno visto 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 detto 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