Uma nova análise da colaboração STAR no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), um colisor de partículas do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE), fornece a primeira evidência direta da marca deixada pelo que pode ser o mais poderoso do universo. campos magnéticos em matéria nuclear "desconfinada". A evidência vem da medição da maneira como partículas com cargas diferentes se separam quando emergem de colisões de núcleos atômicos nesta instalação do usuário do DOE Office of Science.



Conforme descrito na revista Physical Review X , os dados indicam que poderosos campos magnéticos gerados em colisões fora do centro induzem uma corrente elétrica nos quarks e glúons libertados, ou desconfinados, de prótons e nêutrons pela colisão de partículas.

As descobertas dão aos cientistas uma nova maneira de estudar a condutividade elétrica deste “plasma de quark-gluon” (QGP) para aprender mais sobre esses blocos de construção fundamentais dos núcleos atômicos.

“Esta é a primeira medição de como o campo magnético interage com o plasma de quark-gluon (QGP)”, disse Diyu Shen, físico STAR da Universidade Fudan, na China, e líder da nova análise. Na verdade, medir o impacto dessa interação fornece evidências diretas de que estes poderosos campos magnéticos existem.

Mais poderosa que uma estrela de nêutrons

Os cientistas há muito acreditam que colisões fora do centro de núcleos atômicos pesados, como o ouro, também conhecidos como íons pesados, gerariam campos magnéticos poderosos. Isso ocorre porque alguns dos prótons carregados positivamente que não colidem - e nêutrons neutros - que compõem os núcleos seriam colocados em um redemoinho à medida que os íons se chocassem lateralmente uns contra os outros a uma velocidade próxima à da luz.

"Essas cargas positivas em movimento rápido devem gerar um campo magnético muito forte, previsto para ser 10 ¹⁸ gauss", disse Gang Wang, físico STAR da Universidade da Califórnia, em Los Angeles. Para efeito de comparação, ele observou que as estrelas de nêutrons, os objetos mais densos do universo, têm campos de cerca de 10 ¹⁴ gauss, enquanto os ímãs de geladeira produzem um campo de cerca de 100 gauss e o campo magnético protetor do nosso planeta mede apenas 0,5 gauss.

"Este é provavelmente o campo magnético mais forte do nosso universo."

Mas como as coisas acontecem muito rapidamente em colisões de íons pesados, o campo não dura muito. Ele se dissipa em menos de 10 ^-23 segundos – dez milionésimos de bilionésimo de bilionésimo de segundo – dificultando a observação.

Assim, em vez de tentarem medir o campo diretamente, os cientistas do STAR procuraram evidências do seu impacto nas partículas provenientes das colisões.

“Especificamente, estávamos observando o movimento coletivo de partículas carregadas”, disse Wang.

Detectando deflexão

É bem conhecido que os campos magnéticos podem afetar o movimento de partículas carregadas e até mesmo induzir campos eletromagnéticos em formas condutoras de matéria, como os metais. É a mesma coisa que está acontecendo aqui, mas em uma escala muito menor.

“Queríamos ver se as partículas carregadas geradas em colisões de íons pesados ​​fora do centro estavam sendo desviadas de uma forma que só poderia ser explicada pela existência de um campo eletromagnético nas minúsculas partículas de QGP criadas nessas colisões”, disse Aihong Tang. , físico do Brookhaven Lab e membro da colaboração STAR.

A equipe usou os sofisticados sistemas de detecção do STAR para rastrear o movimento coletivo de diferentes pares de partículas carregadas, descartando ao mesmo tempo a influência de efeitos não eletromagnéticos concorrentes. Eles estavam mais interessados ​​em descartar deflexões causadas por quarks carregados transportados como parte dos núcleos em colisão. Felizmente, esses “quarks transportados” produzem um padrão de deflexão oposto ao desencadeado pela corrente elétrica induzida pelo campo magnético, conhecido como indução de Faraday.

Um sinal claro

“No final, vemos um padrão de deflexão dependente da carga que só pode ser desencadeado por um campo eletromagnético no QGP – um sinal claro de indução de Faraday”, disse Tang.

Os cientistas observaram este sinal forte não apenas em colisões fora do centro de dois núcleos de ouro em alta energia – ouro-ouro a 200 bilhões de elétron-volts, ou GeV – mas também em colisões fora do centro de núcleos menores – rutênio-rutênio e zircônio- zircônio, ambos a 200 GeV.

"Este efeito é universal. Acontece não apenas num sistema grande, mas também num sistema mais pequeno", disse Shen.

Os cientistas viram um sinal ainda mais forte quando analisaram dados de colisões ouro-ouro a uma energia relativamente baixa:27 GeV. Esta descoberta fornece mais evidências de que os poderosos campos magnéticos gerados por colisões fora do centro induziram o campo eletromagnético de deflexão das partículas.

Isso ocorre porque a indução de Faraday ocorre à medida que o campo magnético se dissipa. Em colisões de baixa energia, isso acontece mais lentamente.

"Este efeito é mais forte em energias mais baixas porque a vida útil do campo magnético é mais longa em energias mais baixas; a velocidade dos fragmentos nucleares é menor, então o campo magnético e seus efeitos duram mais", disse Wang.

Implicações

Agora que os cientistas têm provas de que os campos magnéticos induzem um campo eletromagnético no QGP, podem usar a indução para sondar a condutividade do QGP.

“Esta é uma propriedade fundamental e importante”, disse Shen. "Podemos inferir o valor da condutividade a partir da nossa medição do movimento coletivo. A extensão em que as partículas são desviadas está diretamente relacionada à força do campo eletromagnético e à condutividade no QGP - e ninguém mediu a condutividade do QGP antes."

Compreender as propriedades eletromagnéticas fundamentais do QGP poderia oferecer insights sobre questões importantes da física. Por um lado, os campos magnéticos que induzem os efeitos eletromagnéticos podem contribuir para uma separação interessante de partículas de acordo com a sua “lateralidade”, ou quiralidade.

"Este estudo fornece fortes evidências do campo magnético, que é uma das pré-condições para este 'efeito magnético quiral'", disse Shen.

O campo magnético e as propriedades eletromagnéticas do QGP também desempenham um papel na determinação das condições sob as quais quarks e glúons livres e desconfigurados se aglutinam para formar partículas compostas chamadas hádrons – como os prótons e nêutrons que constituem os núcleos comuns.

"Queremos mapear o 'diagrama de fases' nuclear, que mostra a que temperatura os quarks e os glúons podem ser considerados livres e a que temperatura eles 'congelarão' para se tornarem hádrons. Essas propriedades e as interações fundamentais dos quarks e glúons , que são mediados pela força forte, serão modificados sob um campo eletromagnético extremo", disse Wang.

Com esta nova investigação das propriedades eletromagnéticas do QGP, acrescentou, “podemos investigar essas propriedades fundamentais em outra dimensão para fornecer mais informações sobre a interação forte”.

Por enquanto, apontaram os cientistas, os teóricos analisarão esses resultados para ajudar a refinar as interpretações.

Mais informações: M. I. Abdulhamid et al, Observação do efeito do campo eletromagnético via fluxo direcionado dependente de carga em colisões de íons pesados ​​no colisor relativístico de íons pesados, Revisão física X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.011028
Fornecido pelo Laboratório Nacional de Brookhaven