Самые сильные магнитные поля во Вселенной и их влияние на кварк-глюонную плазму
Представьте себе, что вы можете не только создать магнитное поле, которое сильнее, чем у нейтронной звезды, но и измерить, как оно воздействует на самую необычную форму материи, которая существовала всего доли секунды после Большого взрыва. Звучит как научная фантастика, но это то, что делают физики на Релятивистском тяжелоионном коллайдере (RHIC) в Национальной лаборатории Брукхейвена в США.
RHIC — это ускоритель частиц, который сталкивает тяжелые атомные ядра, например, золото, на скорости, близкой к скорости света. В результате этих столкновений возникает кварк-глюонная плазма (QGP) — состояние материи, в котором кварки и глюоны, основные строительные блоки атомных ядер, освобождаются из своих связей и могут свободно перемещаться. QGP — это то, из чего состояла Вселенная в первые микросекунды ее существования, прежде чем она остыла и кварки и глюоны собрались в протоны, нейтроны и другие частицы.
Изучение QGP помогает ученым понять, как работает сильное взаимодействие — одна из четырех основных сил природы, которая держит вместе атомные ядра. Однако QGP — это очень неустойчивая и недоступная форма материи, которая существует всего доли секунды и требует огромных энергий для ее создания. Поэтому физики нуждаются в новых методах зондирования и измерения свойств QGP, чтобы раскрыть ее тайны.
Один из таких методов — это использование магнитных полей, которые возникают в нецентральных столкновениях тяжелых ионов. Нецентральные столкновения — это те, в которых ядра не попадают друг в друга в точности по центру, а скользят друг по другу, оставляя часть своих протонов и нейтронов неповрежденными. Эти быстро движущиеся заряженные частицы порождают мощные магнитные поля, которые, по оценкам, достигают 1018 гаусс — это на много порядков больше, чем у любого другого известного магнитного поля во Вселенной.
Но как измерить эти магнитные поля, которые длится меньше, чем миг? Ответ — посмотреть, как они взаимодействуют с QGP. Ученые из коллаборации STAR на RHIC обнаружили, что магнитные поля индуцируют электрический ток в QGP, который, в свою очередь, создает электромагнитное поле. Это электромагнитное поле влияет на движение заряженных частиц, выходящих из столкновений, отклоняя их в разные стороны в зависимости от их заряда. Этот эффект называется индукцией Фарадея и является первым прямым доказательством существования магнитных полей в QGP.
Измеряя степень отклонения заряженных частиц, ученые могут вычислить силу электромагнитного поля и электропроводность QGP. Электропроводность — это фундаментальное и важное свойство QGP, которое характеризует способность кварков и глюонов переносить электрический заряд. Это свойство может дать информацию о том, как свободны кварки и глюоны в QGP и как они взаимодействуют друг с другом. До сих пор никто не измерял электропроводность QGP, поэтому это открытие открывает новые возможности для исследования этой экзотической формы материи.
Кроме того, магнитные поля и электромагнитные свойства QGP могут играть роль в ответе на некоторые важные вопросы физики. Например, магнитные поля могут способствовать интересному разделению частиц по их «поворотности» или хиральности — свойству, которое определяет, как частица вращается относительно своего направления движения. Этот эффект, называемый хиральным магнитным эффектом, может объяснить, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии. Магнитные поля и электромагнитные свойства QGP также влияют на условия, при которых кварки и глюоны объединяются в адроны — составные частицы, такие как протоны и нейтроны. Это помогает ученым построить ядерную фазовую диаграмму, которая показывает, при какой температуре и плотности QGP переходит в обычную ядерную материю.