פתיחת הסודות הגרעיניים של השדות המגנטיים החזקים ביותר ביקום

נתונים מהתנגשויות של יונים כבדים נותנים תובנה חדשה לגבי תכונות אלקטרומגנטיות של קווארק-גלואון פְּלַסמָה.

ניתוח חדש של שיתוף הפעולה של STAR במתאיץ יונים כבדים (RHIC), מתנגש חלקיקים במעבדה הלאומית ברוקהייבן של משרד האנרגיה האמריקאי (DOE), מספק את העדות הישירה הראשונה לחותם שהותיר מה שעשוי להיות החזק ביותר ביקום שדות מגנטיים על חומר גרעיני "לא מוגדר". הראיות מגיעות ממדידת האופן שבו חלקיקים בעלי מטען שונה נפרדים כשהם יוצאים מהתנגשויות של גרעיני אטום במתקן המשתמש הזה של משרד המדע של DOE.

כפי שתואר ביומן סקירה פיזית X, הנתונים מצביעים על כך ששדות מגנטיים רבי עוצמה שנוצרים בהתנגשויות מחוץ למרכז גורמים לזרם חשמלי בקווארקים ובגלואונים המשוחררים, או מנותקים, מפרוטונים ונייטרונים על ידי התנפצות החלקיקים. הממצאים נותנים למדענים דרך חדשה לחקור את המוליכות החשמלית של "קווארק-גלואון פלזמה" זו (QGP) כדי ללמוד עוד על אבני הבניין הבסיסיות הללו של גרעיני אטום.

"זוהי המדידה הראשונה של האופן שבו השדה המגנטי מקיים אינטראקציה עם פלזמת הקווארק-גלואון (QGP)", אמר Diyu Shen, פיזיקאי STAR מאוניברסיטת פודן בסין ומוביל הניתוח החדש. למעשה, מדידת ההשפעה של אינטראקציה זו מספקת עדות ישירה לכך שדות מגנטיים רבי עוצמה אלה קיימים.

חזק יותר מכוכב נויטרונים

מדענים האמינו זה מכבר שהתנגשויות מחוץ למרכז של גרעיני אטום כבדים כמו זהב, הידוע גם בשם יונים כבדים, יפיקו שדות מגנטיים רבי עוצמה. הסיבה לכך היא שחלק מהפרוטונים הטעונים חיוביים שאינם מתנגשים – והנייטרונים הניטרליים – המרכיבים את הגרעינים יוצבו בסיבוב כשהיונים יחלפו זה את זה קרוב למהירות האור.

"המטענים החיוביים הנעים במהירות אמורים ליצור שדה מגנטי חזק מאוד, שצפוי להיות 10¹⁸ גאוס", אמר גאנג וואנג, פיזיקאי STAR מאוניברסיטת קליפורניה, לוס אנג'לס. לשם השוואה, הוא ציין שלכוכבי נויטרונים, העצמים הצפופים ביותר ביקום, יש שדות של כ-10¹⁴ גאוס, בעוד שמגנטים למקרר מייצרים שדה של כ-100 גאוס והשדה המגנטי המגן של כוכב הלכת הבית שלנו מודד 0.5 גאוס בלבד. "זהו כנראה השדה המגנטי החזק ביותר ביקום שלנו."

אבל בגלל שדברים קורים מהר מאוד בהתנגשויות יונים כבדות, השדה לא מחזיק מעמד זמן רב. זה מתפוגג תוך פחות מ-10^-23 שניות – עשר מיליוניות מיליארדית מיליארדית השנייה – מה שמקשה על התצפית.

אז במקום לנסות למדוד את השדה ישירות, מדעני STAR חיפשו ראיות להשפעתו על החלקיקים הזורמים מההתנגשויות.

"באופן ספציפי, הסתכלנו על התנועה הקולקטיבית של חלקיקים טעונים", אמר וואנג.

זיהוי סטיה

ידוע היטב ששדות מגנטיים יכולים להשפיע על תנועתם של חלקיקים טעונים ואף לעורר שדות אלקטרומגנטיים בצורות מוליכות של חומר כגון מתכות. זה אותו דבר שקורה כאן, אבל בקנה מידה קטן בהרבה.

"רצינו לראות אם החלקיקים הטעונים שנוצרו בהתנגשויות של יונים כבדים מחוץ למרכז הוסטו בצורה שניתן להסביר רק על ידי קיומו של שדה אלקטרומגנטי בכתמים הזעירים של QGP שנוצרו בהתנגשויות אלה", אמר איהונג טאנג. , פיזיקאי במעבדת ברוקהייבן וחבר בשיתוף הפעולה של STAR.

הצוות השתמש במערכות הגלאים המתוחכמות של STAR כדי לעקוב אחר התנועה הקולקטיבית של זוגות שונים של חלקיקים טעונים תוך שלילת ההשפעה של השפעות מתחרות שאינן אלקטרומגנטיות. הם היו מעוניינים ביותר לשלול סטיות שנגרמו מקווארקים טעונים שהועברו יחד כחלק מהגרעינים המתנגשים. למרבה המזל, אותם "קווארקים מועברים" מייצרים דפוס של סטייה הפוכה לזו המופעלת על ידי הזרם החשמלי המושרה על ידי שדה מגנטי, המכונה אינדוקציה של פאראדיי.

אות ברור

"בסופו של דבר, אנו רואים דפוס של סטייה תלויה במטען שיכול להיות מופעל רק על ידי שדה אלקטרומגנטי ב-QGP – סימן ברור של אינדוקציה של פאראדיי", אמר טאנג.

המדענים ראו את האות החזק הזה לא רק בהתנגשויות מחוץ למרכז של שני גרעיני זהב באנרגיה גבוהה – זהב-זהב ב-200 מיליארד וולט אלקטרונים, או GeV – אלא גם בהתנגשויות מחוץ למרכז של גרעינים קטנים יותר – רותניום-רותניום וזירקוניום- זירקוניום, שניהם ב-200 GeV.

"האפקט הזה הוא אוניברסלי. זה קורה לא רק במערכת גדולה אלא גם במערכת קטנה יותר", אמר שן.

המדענים ראו אות חזק עוד יותר כאשר ניתחו נתונים מהתנגשויות זהב-זהב באנרגיה נמוכה יחסית – 27 GeV. ממצא זה מספק ראיות תומכות יותר לכך שהשדה האלקטרומגנטי המסיט את החלקיקים נגרם על ידי השדות המגנטיים החזקים שנוצרו מהתנגשויות מחוץ למרכז.

זה בגלל שהאינדוקציה של פאראדיי מתרחשת כשהשדה המגנטי מתפוגג. בהתנגשויות באנרגיה נמוכה, זה קורה לאט יותר.

"השפעה זו חזקה יותר באנרגיה נמוכה יותר מכיוון שאורך החיים של שדה מגנטי ארוך יותר באנרגיה נמוכה יותר; המהירות של שברי הגרעין נמוכה יותר, כך שהשדה המגנטי והשפעותיו נמשכים זמן רב יותר", אמר וואנג.

השלכות

כעת, לאחר שלמדענים יש ראיות לכך ששדות מגנטיים גורמים לשדה אלקטרומגנטי ב-QGP, הם יכולים להשתמש באינדוקציה כדי לחקור את מוליכות ה-QGP.

"זהו נכס בסיסי וחשוב", אמר שן. "אנו יכולים להסיק את הערך של המוליכות מהמדידה שלנו של התנועה הקולקטיבית. מידת ההסטה של ​​החלקיקים קשורה ישירות לעוצמת השדה האלקטרומגנטי ולמוליכות ב-QGP – ואף אחד לא מדד את המוליכות של QGP לפני כן".

הבנת המאפיינים האלקטרומגנטיים הבסיסיים של ה-QGP יכולה להציע תובנות לגבי שאלות חשובות בפיזיקה. ראשית, השדות המגנטיים הגורמים להשפעות האלקטרומגנטיות עשויים לתרום להפרדה מעניינת של חלקיקים בהתאם ל"ידיות" שלהם, או כיראליות.

"מחקר זה נותן עדויות חזקות לשדה המגנטי, שהוא אחד התנאים המוקדמים ל'אפקט המגנטי הכירי' הזה", אמר שן.

השדה המגנטי והתכונות האלקטרומגנטיות של ה-QGP ממלאים גם תפקיד בקביעת התנאים שבהם קווארקים חופשיים וגלואונים מתלכדים ליצירת חלקיקים מרוכבים הנקראים הדרונים – כמו הפרוטונים והנייטרונים המרכיבים גרעינים רגילים.

"אנחנו רוצים למפות את 'דיאגרמת השלבים' הגרעינית, שמראה באיזו טמפרטורה הקווארקים והגלואונים יכולים להיחשב חופשיים ובאיזה טמפרטורה הם 'יקפאו' כדי להפוך להאדרונים. התכונות הללו והאינטראקציות הבסיסיות של קווארקים וגלואונים, המתווכים על ידי הכוח החזק, ישתנו תחת שדה אלקטרומגנטי קיצוני", אמר וואנג. בעזרת בדיקה חדשה זו של התכונות האלקטרומגנטיות של ה-QGP, הוא הוסיף, "אנו יכולים לחקור את המאפיינים הבסיסיים הללו בממד אחר כדי לספק מידע נוסף על האינטראקציה החזקה."

לעת עתה, ציינו המדענים, תיאורטיקנים יסתכלו על התוצאות הללו כדי לעזור לחדד את הפרשנויות.

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