Un nuevo análisis realizado por la colaboración STAR en el Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC), un colisionador de partículas en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), proporciona la primera evidencia directa de la huella dejada por lo que puede ser el más poderoso del universo. campos magnéticos sobre materia nuclear "desconfinada". La evidencia proviene de medir la forma en que las partículas con cargas diferentes se separan cuando emergen de colisiones de núcleos atómicos en estas instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.
Como se describe en la revista Physical Review X , los datos indican que los potentes campos magnéticos generados en colisiones descentradas inducen una corriente eléctrica en los quarks y gluones liberados, o desconfinados, de los protones y neutrones por los choques de partículas.
Los hallazgos brindan a los científicos una nueva forma de estudiar la conductividad eléctrica de este "plasma de quarks y gluones" (QGP) para aprender más sobre estos componentes fundamentales de los núcleos atómicos.
"Esta es la primera medición de cómo interactúa el campo magnético con el plasma de quarks y gluones (QGP)", dijo Diyu Shen, físico de STAR de la Universidad de Fudan en China y líder del nuevo análisis. De hecho, medir el impacto de esa interacción proporciona evidencia directa de que estos poderosos campos magnéticos existen.
Los científicos han creído durante mucho tiempo que las colisiones descentradas de núcleos atómicos pesados como el oro, también conocidos como iones pesados, generarían poderosos campos magnéticos. Esto se debe a que algunos de los protones con carga positiva (y neutrones neutros) que no colisionan y que forman los núcleos se arremolinan cuando los iones se rozan entre sí a una velocidad cercana a la de la luz.
"Esas cargas positivas que se mueven rápidamente deberían generar un campo magnético muy fuerte, que se predice que será de 10 18 gauss", dijo Gang Wang, físico de STAR de la Universidad de California en Los Ángeles. A modo de comparación, observó que las estrellas de neutrones, los objetos más densos del universo, tienen campos de aproximadamente 10 14 gauss, mientras que los imanes de refrigerador producen un campo de aproximadamente 100 gauss y el campo magnético protector de nuestro planeta mide apenas 0,5 gauss.
"Este es probablemente el campo magnético más fuerte de nuestro universo."
Pero como las cosas suceden muy rápidamente en las colisiones de iones pesados, el campo no dura mucho. Se disipa en menos de 10 -23 segundos (diez millonésimas de milmillonésima de milmillonésima de segundo), lo que hace que sea difícil de observar.
Entonces, en lugar de intentar medir el campo directamente, los científicos de STAR buscaron evidencia de su impacto en las partículas que salen de las colisiones.
"Específicamente, estábamos observando el movimiento colectivo de partículas cargadas", dijo Wang.
Detección de desviación
Es bien sabido que los campos magnéticos pueden afectar el movimiento de partículas cargadas e incluso inducir campos electromagnéticos en formas conductoras de materia como los metales. Eso es lo mismo que está sucediendo aquí pero en una escala mucho menor.
"Queríamos ver si las partículas cargadas generadas en las colisiones de iones pesados descentrados se desviaban de una manera que sólo podía explicarse por la existencia de un campo electromagnético en las pequeñas motas de QGP creadas en estas colisiones", dijo Aihong Tang. , físico del Brookhaven Lab y miembro de la colaboración STAR.
El equipo utilizó los sofisticados sistemas detectores de STAR para rastrear el movimiento colectivo de diferentes pares de partículas cargadas, descartando al mismo tiempo la influencia de efectos no electromagnéticos en competencia. Lo que más les interesaba era descartar las desviaciones causadas por los quarks cargados transportados como parte de los núcleos en colisión. Afortunadamente, esos "quarks transportados" producen un patrón de desviación opuesto al provocado por la corriente eléctrica inducida por el campo magnético, conocida como inducción de Faraday.
"Al final, vemos un patrón de desviación dependiente de la carga que sólo puede ser desencadenado por un campo electromagnético en el QGP, una clara señal de inducción de Faraday", dijo Tang.
Los científicos vieron esta fuerte señal no sólo en colisiones descentradas de dos núcleos de oro de alta energía (oro-oro a 200 mil millones de electronvoltios, o GeV), sino también en colisiones descentradas de núcleos más pequeños (rutenio-rutenio y circonio). circonio, ambos a 200 GeV.
"Este efecto es universal. Ocurre no sólo en un sistema grande sino también en un sistema más pequeño", afirmó Shen.
Los científicos vieron una señal aún más fuerte cuando analizaron datos de colisiones entre oro y oro a una energía relativamente baja:27 GeV. Este hallazgo proporciona más evidencia que respalda que los poderosos campos magnéticos generados por colisiones descentradas indujeron el campo electromagnético que desvía las partículas.
Esto se debe a que la inducción de Faraday se produce cuando el campo magnético se disipa. En colisiones de menor energía, eso sucede más lentamente.
"Este efecto es más fuerte con energía más baja porque la vida útil del campo magnético es más larga con energía más baja; la velocidad de los fragmentos nucleares es menor, por lo que el campo magnético y sus efectos duran más", dijo Wang.
Implicaciones
Ahora que los científicos tienen evidencia de que los campos magnéticos inducen un campo electromagnético en el QGP, pueden usar la inducción para probar la conductividad del QGP.
"Ésta es una propiedad fundamental e importante", afirmó Shen. "Podemos inferir el valor de la conductividad a partir de nuestra medición del movimiento colectivo. El grado en que las partículas se desvían se relaciona directamente con la intensidad del campo electromagnético y la conductividad en el QGP, y nadie ha medido la conductividad del QGP. antes."
Comprender las propiedades electromagnéticas fundamentales del QGP podría ofrecer información sobre cuestiones importantes de la física. Por un lado, los campos magnéticos que inducen los efectos electromagnéticos pueden contribuir a una interesante separación de partículas según su "orientación" o quiralidad.
"Este estudio proporciona pruebas sólidas del campo magnético, que es una de las condiciones previas para este 'efecto magnético quiral'", afirmó Shen.
El campo magnético y las propiedades electromagnéticas del QGP también desempeñan un papel en la determinación de las condiciones bajo las cuales los quarks y gluones libres y desconfinados se fusionan para formar partículas compuestas llamadas hadrones, como los protones y neutrones que forman los núcleos ordinarios.
"Queremos trazar el 'diagrama de fases' nuclear, que muestra a qué temperatura los quarks y gluones pueden considerarse libres y a qué temperatura se 'congelarán' para convertirse en hadrones. Esas propiedades y las interacciones fundamentales de los quarks y gluones , que están mediados por la fuerza fuerte, se modificarán bajo un campo electromagnético extremo", afirmó Wang.
Con esta nueva sonda de las propiedades electromagnéticas del QGP, añadió, "podemos investigar estas propiedades fundamentales en otra dimensión para proporcionar más información sobre la interacción fuerte".
Por ahora, señalaron los científicos, los teóricos observarán estos resultados para ayudar a refinar las interpretaciones.
Más información: M. I. Abdulhamid et al, Observación del efecto del campo electromagnético mediante flujo dirigido dependiente de la carga en colisiones de iones pesados en el colisionador relativista de iones pesados, Revisión física X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.011028
Proporcionado por el Laboratorio Nacional Brookhaven
