重離子的碰撞會(huì)產(chǎn)生極強(qiáng)的電磁場(chǎng)。科學(xué)家們研究了夸克-膠子等離子體(QGP)中這種強(qiáng)大電磁場(chǎng)的痕跡，夸克和膠子在質(zhì)子和中子碰撞中被釋放出來。圖片來源：Tiffany Bowman 和 Jen Abramowitz/布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室
來自重離子碰撞的數(shù)據(jù)為夸克-膠子等離子體的電磁特性提供了新的見解。
美國(guó)能源部 (DOE) 布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī) (RHIC) 的 STAR 合作項(xiàng)目進(jìn)行的一項(xiàng)新分析，提供了第一個(gè)直接證據(jù)，證明可能是宇宙中最強(qiáng)大的粒子留下的印記“解禁”核物質(zhì)上的磁場(chǎng)。證據(jù)來自于在能源部科學(xué)辦公室用戶設(shè)施中測(cè)量不同帶電粒子在原子核碰撞中分離時(shí)的分離方式。
正如《物理評(píng)論 X》雜志中所描述的那樣，數(shù)據(jù)表明，偏心碰撞中產(chǎn)生的強(qiáng)大磁場(chǎng)會(huì)在夸克和膠子中感應(yīng)出電流，這些夸克和膠子通過粒子粉碎而從質(zhì)子和中子中釋放或解除限制。這些發(fā)現(xiàn)為科學(xué)家提供了一種研究這種“夸克-膠子等離子體”(QGP)電導(dǎo)率的新方法，以更多地了解這些原子核的基本組成部分。
“這是對(duì)磁場(chǎng)如何與夸克-膠子等離子體(QGP)相互作用的首次測(cè)量，”中國(guó)復(fù)旦大學(xué)的 STAR 物理學(xué)家、新分析的負(fù)責(zé)人沉迪宇說。事實(shí)上，測(cè)量這種相互作用的影響提供了這些強(qiáng)大磁場(chǎng)存在的直接證據(jù)。
科學(xué)家可以使用 STAR 探測(cè)器追蹤相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī) (RHIC) 中重離子碰撞產(chǎn)生的粒子軌跡。這張合成圖像顯示了房屋大小的探測(cè)器和高能正面金金碰撞的樣本粒子軌跡。圖片來源：布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室
比中子星更強(qiáng)大
科學(xué)家們長(zhǎng)期以來相信，金等重原子核(也稱為重離子)的偏心碰撞會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)。這是因?yàn)椋?dāng)離子以接近光速的速度相互滑動(dòng)時(shí)，構(gòu)成原子核的一些非碰撞的帶正電的質(zhì)子和中性中子將被設(shè)置成漩渦。
加州大學(xué)洛杉磯分校的 STAR 物理學(xué)家 Gang Wang 表示：“那些快速移動(dòng)的正電荷應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生非常強(qiáng)的磁場(chǎng)，預(yù)計(jì)強(qiáng)度為 10 ·18高斯。” 為了進(jìn)行比較，他指出中子星(宇宙中密度最大的物體)的磁場(chǎng)約為 10 14高斯，而冰箱磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)約為 100 高斯，而我們地球的保護(hù)磁場(chǎng)僅為 0.5 高斯。“這可能是我們宇宙中最強(qiáng)的磁場(chǎng)。”
但由于重離子碰撞中事情發(fā)生得非常快，因此該場(chǎng)不會(huì)持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間。它在不到 10 -23秒(十億分之一秒的百萬(wàn)分之一)內(nèi)消散，使其難以觀察。
因此，STAR 科學(xué)家沒有嘗試直接測(cè)量磁場(chǎng)，而是尋找磁場(chǎng)對(duì)碰撞中流出的粒子產(chǎn)生影響的證據(jù)。
“具體來說，我們正在研究帶電粒子的集體運(yùn)動(dòng)，”王說。
偏心重離子碰撞的自上而下視圖。超強(qiáng)磁場(chǎng) (B) 的快速衰減會(huì)通過法拉第感應(yīng)產(chǎn)生電流，影響帶電粒子的軌跡。偏轉(zhuǎn)程度與夸克-膠子等離子體(QGP)的電導(dǎo)率直接相關(guān)，這為科學(xué)家提供了一種測(cè)量這一重要特性的方法。圖片來源：Diyu Shen/復(fù)旦大學(xué)
檢測(cè)偏轉(zhuǎn)
眾所周知，磁場(chǎng)會(huì)影響帶電粒子的運(yùn)動(dòng)，甚至?xí)诮饘俚葘?dǎo)電物質(zhì)中感應(yīng)出電磁場(chǎng)。這與這里發(fā)生的情況相同，但規(guī)模要小得多。
“我們想看看偏心重離子碰撞中產(chǎn)生的帶電粒子是否以某種只能通過這些碰撞中產(chǎn)生的 QGP 微小斑點(diǎn)中存在電磁場(chǎng)來解釋的偏轉(zhuǎn)方式，”唐愛紅說是布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家，也是 STAR 合作組織的成員。
該團(tuán)隊(duì)使用 STAR 先進(jìn)的探測(cè)器系統(tǒng)來跟蹤不同帶電粒子對(duì)的集體運(yùn)動(dòng)，同時(shí)排除競(jìng)爭(zhēng)性非電磁效應(yīng)的影響。他們最感興趣的是排除作為碰撞核的一部分傳輸?shù)膸щ娍淇艘鸬钠D(zhuǎn)。幸運(yùn)的是，這些“傳輸夸克”會(huì)產(chǎn)生一種與磁場(chǎng)感應(yīng)電流(稱為法拉第感應(yīng))觸發(fā)的偏轉(zhuǎn)模式相反的偏轉(zhuǎn)模式。
明確的信號(hào)
“最后，我們看到了一種依賴于電荷的偏轉(zhuǎn)模式，這種偏轉(zhuǎn)模式只能由 QGP 中的電磁場(chǎng)觸發(fā)，這是法拉第感應(yīng)的明顯跡象，”唐說。
科學(xué)家們不僅在兩個(gè)高能金核(2000億電子伏特(GeV)的金-金)的偏心碰撞中看到了這種強(qiáng)烈的信號(hào)，而且還在較小的原子核(釕-釕和鋯)的偏心碰撞中看到了這種強(qiáng)烈的信號(hào)。鋯，均為 200 GeV。
“這種效應(yīng)是普遍存在的。這種情況不僅發(fā)生在大系統(tǒng)中，也發(fā)生在較小的系統(tǒng)中。”沉說。
科學(xué)家們?cè)诜治鱿鄬?duì)較低能量(27 GeV)的金-金碰撞數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)了更強(qiáng)的信號(hào)。這一發(fā)現(xiàn)提供了更多支持證據(jù)，表明粒子偏轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)是由偏心碰撞產(chǎn)生的強(qiáng)大磁場(chǎng)引起的。
這是因?yàn)榉ɡ诟袘?yīng)隨著磁場(chǎng)的消散而發(fā)生。在低能量碰撞中，這種情況發(fā)生得更慢。
“這種效應(yīng)在較低能量下更強(qiáng)，因?yàn)樵谳^低能量下磁場(chǎng)的壽命更長(zhǎng);核碎片的速度較低，因此磁場(chǎng)及其影響持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，”王說。
影響
現(xiàn)在科學(xué)家們有證據(jù)表明磁場(chǎng)會(huì)在 QGP 中感應(yīng)出電磁場(chǎng)，他們可以利用這種感應(yīng)來探測(cè) QGP 的電導(dǎo)率。
“這是一項(xiàng)基本且重要的財(cái)產(chǎn)，”沉說。“我們可以從集體運(yùn)動(dòng)的測(cè)量中推斷出電導(dǎo)率的值。粒子偏轉(zhuǎn)的程度與 QGP 中的電磁場(chǎng)強(qiáng)度和電導(dǎo)率直接相關(guān)，而之前沒有人測(cè)量過 QGP 的電導(dǎo)率。”
了解 QGP 的基本電磁特性可以為物理學(xué)中的重要問題提供見解。一方面，誘發(fā)電磁效應(yīng)的磁場(chǎng)可能有助于根據(jù)粒子的“旋向性”或手性進(jìn)行有趣的分離。
“這項(xiàng)研究為磁場(chǎng)的存在提供了強(qiáng)有力的證據(jù)，這是這種‘手性磁效應(yīng)’的先決條件之一，”沉說。
QGP 的磁場(chǎng)和電磁特性也在決定自由、解禁夸克和膠子合并形成稱為強(qiáng)子的復(fù)合粒子(例如構(gòu)成普通原子核的質(zhì)子和中子)的條件方面發(fā)揮著重要作用。
“我們想要繪制出核‘相圖’，它顯示了夸克和膠子在什么溫度下可以被認(rèn)為是自由的，以及在什么溫度下它們將‘凍結(jié)’成為強(qiáng)子。夸克和膠子的這些特性以及由強(qiáng)力介導(dǎo)的基本相互作用將在極端電磁場(chǎng)下發(fā)生改變。”王說。他補(bǔ)充說，通過這種對(duì) QGP 電磁特性的新探測(cè)器，“我們可以在另一個(gè)維度研究這些基本特性，以提供有關(guān)強(qiáng)相互作用的更多信息。”
科學(xué)家們指出，目前理論家將研究這些結(jié)果以幫助完善解釋。
