טביעות אצבע מגנטיות: STAR מזהה זרמים בחומר גרעיני משוחרר

נתונים מהתנגשויות של יונים כבדים מספקים תובנות חדשות לגבי התכונות האלקטרומגנטיות של קווארק-גלואון פְּלַסמָה "מפורק" מפרוטונים וניוטרונים.

מדענים חשפו את הראיה הישירה הראשונה לכך ששדות מגנטיים רבי עוצמה שנוצרו בהתנגשויות מחוץ למרכז של גרעיני אטום גורמים לזרם חשמלי בחומר גרעיני "לא מוגדר". זהו "מרק" פלזמה של קווארקים וגלואונים ששוחררו, או "הוצרו" מחומר גרעיני – פרוטונים וניוטרונים – בהתנגשויות החלקיקים.

אף על פי שהשדות המגנטיים בחומר גרעיני משוחרר חזקים פי מיליארד ממגנט טיפוסי של מקרר, קשה לזהות את ההשפעות שלהם. העדויות של מחקר חדש זה הן מדידת הדרך שבה חלקיקים בעלי מטען חשמלי מוסטים כשהם יוצאים מההתנגשויות. המחקר מספק הוכחה לכך שהשדות המגנטיים החזקים קיימים. הוא גם מציע דרך חדשה למדוד את המוליכות החשמלית בפלזמת הקווארק-גלואון (QGP).

מדידת מוליכות חשמלית

מדענים יכולים להסיק את הערך של המוליכות החשמלית של ה-QGP מכמה השדה האלקטרומגנטי מסיט חלקיקים טעונים כמו אלקטרונים, קווארקים ופרוטונים. ככל שסוג סטיה מסוים חזק יותר, כך המוליכות חזקה יותר. מוליכות היא תכונה חשובה של החומר, אך מדענים לא הצליחו למדוד אותה ב-QGP בעבר.

הבנת המאפיינים האלקטרומגנטיים של ה-QGP עשויה לסייע לפיסיקאים לפענח את מסתורי המעבר בין ה-QGP לחומר גרעיני רגיל העשוי מפרוטונים ונויטרונים. העבודה גם תסייע במחקרים של השפעות מגנטיות אחרות ב-QGP.

אתגרים במדידת שדה מגנטי

התנגשויות מחוץ למרכז של גרעיני אטום במאיץ יונים כבדים (RHIC), מתקן למשתמש של מאיצי חלקיקים של משרד האנרגיה במעבדה הלאומית ברוקהייבן, אמורות ליצור שדות מגנטיים רבי עוצמה. הסיבה לכך היא שחלק מהפרוטונים הטעונים חיוביים שאינם מתנגשים מתערבלים כשהגרעינים מחליקים זה את זה קרוב למהירות האור. השדות צפויים להיות חזקים יותר מאלה של כוכבי נויטרונים וחזקים הרבה יותר משל כדור הארץ.

עם זאת, מדידת שדות מגנטיים ב-QGP היא מאתגרת מכיוון שהחומר הגרעיני המנותק הזה לא נמשך זמן רב. לכן, במקום זאת, מדענים מודדים את תכונות ה-QGP בעקיפין, למשל על ידי שימוש בגלאי STAR של RHIC כדי לעקוב אחר השפעת השדה המגנטי על חלקיקים טעונים הזורמים מההתנגשויות.

גילוי של זרם חשמלי מושר

הפיזיקאים של STAR ראו תבנית של סטיה של חלקיקים טעונים שיכולה להיגרם רק על ידי שדה אלקטרומגנטי וזרם המושרה ב-QGP. זו הייתה עדות ברורה לכך שהשדות המגנטיים קיימים. מידת הסטייה קשורה ישירות לעוצמת הזרם המושרה.

מדענים ישתמשו כעת בשיטה זו כדי למדוד את המוליכות של ה-QGP. זה, בתורו, עשוי לעזור להם לפענח תעלומות של מעבר הפאזות בין קווארקים וגלואונים ללא גבולות וחלקיקים מרוכבים כמו פרוטונים וניוטרונים.

מחקר זה מומן על ידי משרד המדע של משרד האנרגיה, הקרן הלאומית למדע ומגוון ארגונים וסוכנויות בינלאומיות המפורטות במאמר המדעי. צוות STAR השתמש במשאבי מחשוב במרכז הנתונים והמחשוב המדעיים במעבדה הלאומית ברוקהייבן, המרכז הלאומי למחשוב מדעי לחקר האנרגיה (NERSC) במעבדה הלאומית לורנס ברקלי, ובקונסורציום Open Science Grid.