Les collisions d’ions lourds génèrent un champ électromagnétique extrêmement puissant. Les scientifiques étudient les traces de ce puissant champ électromagnétique dans le plasma quarks-gluons (QGP), un état dans lequel les quarks et les gluons sont libérés des collisions de protons et de neutrons. Crédit : Tiffany Bowman et Jen Abramowitz/Brookhaven National Laboratory
Les données des collisions d’ions lourds donnent un nouvel aperçu des propriétés électromagnétiques du quark-gluon plasma.
Une nouvelle analyse réalisée par la collaboration STAR au Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), un collisionneur de particules du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l’Énergie (DOE), fournit la première preuve directe de l’empreinte laissée par ce qui pourrait être le plus puissant de l’univers. champs magnétiques sur la matière nucléaire « déconfinée ». La preuve vient de la mesure de la manière dont les particules chargées différemment se séparent lorsqu’elles émergent de collisions de noyaux atomiques dans cette installation utilisateur du DOE Office of Science.
Comme décrit dans le journal Examen physique X, les données indiquent que de puissants champs magnétiques générés lors de collisions décentrées induisent un courant électrique dans les quarks et les gluons libérés ou déconfinés des protons et des neutrons par les collisions de particules. Les résultats offrent aux scientifiques une nouvelle façon d’étudier la conductivité électrique de ce « plasma quark-gluon » (QGP) pour en savoir plus sur ces éléments fondamentaux des noyaux atomiques.
« Il s’agit de la première mesure de la manière dont le champ magnétique interagit avec le plasma quark-gluon (QGP) », a déclaré Diyu Shen, physicien STAR de l’Université de Fudan en Chine et responsable de la nouvelle analyse. En fait, mesurer l’impact de cette interaction fournit une preuve directe de l’existence de ces puissants champs magnétiques.
Les scientifiques peuvent suivre les trajectoires des particules émergeant des collisions d’ions lourds au collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC) à l’aide du détecteur STAR. Cette image composite montre le détecteur de la taille d’une maison et des échantillons de traces de particules provenant d’une collision frontale or-or à haute énergie. Crédit : Laboratoire national de Brookhaven
Plus puissant qu’une étoile à neutrons
Les scientifiques croient depuis longtemps que les collisions décentrées de noyaux atomiques lourds tels que l’or, également appelés ions lourds, généreraient de puissants champs magnétiques. En effet, certains des protons chargés positivement et des neutrons neutres qui ne rentrent pas en collision et qui composent les noyaux seraient mis en tourbillon lorsque les ions se glisseraient latéralement à une vitesse proche de la vitesse de la lumière.
« Ces charges positives se déplaçant rapidement devraient générer un champ magnétique très puissant, estimé à 1018 gauss », a déclaré Gang Wang, physicien STAR de l’Université de Californie à Los Angeles. À titre de comparaison, il a noté que les étoiles à neutrons, les objets les plus denses de l’univers, ont des champs d’environ 1014 gauss, tandis que les aimants de réfrigérateur produisent un champ d’environ 100 gauss et que le champ magnétique protecteur de notre planète ne mesure que 0,5 gauss. « C’est probablement le champ magnétique le plus puissant de notre univers. »
Mais comme les choses se produisent très rapidement lors de collisions d’ions lourds, le champ ne dure pas longtemps. Il se dissipe en moins de 10-23 secondes – dix millionièmes de milliardième de milliardième de seconde – ce qui rend son observation difficile.
Ainsi, au lieu d’essayer de mesurer directement le champ, les scientifiques de STAR ont recherché des preuves de son impact sur les particules sortant des collisions.
« Plus précisément, nous étudions le mouvement collectif des particules chargées », a déclaré Wang.
Une vue de haut en bas d’une collision d’ions lourds décentrée. La désintégration rapide d’un champ magnétique ultra-puissant (B) induit un courant électrique par induction de Faraday, influençant la trajectoire des particules chargées. Le degré de déviation est directement lié à la conductivité du plasma quark-gluon (QGP), ce qui permet aux scientifiques de mesurer cette propriété importante. Crédit : Diyu Shen/Université Fundan
Détection de la déviation
Il est bien connu que les champs magnétiques peuvent affecter le mouvement des particules chargées et même induire des champs électromagnétiques dans des formes conductrices de matière telles que les métaux. C’est la même chose qui se produit ici, mais à une échelle beaucoup plus petite.
« Nous voulions voir si les particules chargées générées lors de collisions d’ions lourds décentrées étaient déviées d’une manière qui ne pouvait s’expliquer que par l’existence d’un champ électromagnétique dans les minuscules points de QGP créés lors de ces collisions », a déclaré Aihong Tang. , physicien du Brookhaven Lab et membre de la collaboration STAR.
L’équipe a utilisé les systèmes de détection sophistiqués de STAR pour suivre le mouvement collectif de différentes paires de particules chargées tout en excluant l’influence d’effets non électromagnétiques concurrents. Leur principal intérêt était d’exclure les déviations causées par les quarks chargés transportés dans le cadre des noyaux en collision. Heureusement, ces « quarks transportés » produisent un modèle de déviation opposé à celui déclenché par le courant électrique induit par un champ magnétique, connu sous le nom d’induction de Faraday.
Un signal clair
« En fin de compte, nous observons un modèle de déviation dépendante de la charge qui ne peut être déclenchée que par un champ électromagnétique dans le QGP, un signe clair de l’induction de Faraday », a déclaré Tang.
Les scientifiques ont observé ce signal puissant non seulement dans les collisions décentrées de deux noyaux d’or à haute énergie (or-or à 200 milliards d’électrons-volts, ou GeV), mais également dans les collisions décentrées de noyaux plus petits (ruthénium-ruthénium et zirconium). zirconium, tous deux à 200 GeV.
« Cet effet est universel. Cela se produit non seulement dans un grand système, mais également dans un système plus petit », a déclaré Shen.
Les scientifiques ont observé un signal encore plus fort lorsqu’ils ont analysé les données de collisions or-or à une énergie relativement faible : 27 GeV. Cette découverte fournit une preuve supplémentaire que le champ électromagnétique de déviation des particules a été induit par les puissants champs magnétiques générés par les collisions décentrées.
En effet, l’induction de Faraday se produit lorsque le champ magnétique se dissipe. Dans les collisions à faible énergie, cela se produit plus lentement.
« Cet effet est plus fort à basse énergie car la durée de vie d’un champ magnétique est plus longue à basse énergie ; la vitesse des fragments nucléaires est plus faible, donc le champ magnétique et ses effets durent plus longtemps », a déclaré Wang.
Conséquences
Maintenant que les scientifiques ont la preuve que les champs magnétiques induisent un champ électromagnétique dans le QGP, ils peuvent utiliser cette induction pour sonder la conductivité du QGP.
« Il s’agit d’une propriété fondamentale et importante », a déclaré Shen. « Nous pouvons déduire la valeur de la conductivité à partir de notre mesure du mouvement collectif. La mesure dans laquelle les particules sont déviées est directement liée à la force du champ électromagnétique et à la conductivité du QGP – et personne n’a mesuré la conductivité du QGP auparavant.
Comprendre les propriétés électromagnétiques fondamentales du QGP pourrait offrir un aperçu de questions importantes en physique. D’une part, les champs magnétiques qui induisent les effets électromagnétiques peuvent contribuer à une séparation intéressante des particules en fonction de leur « caractère manuel » ou chiralité.
« Cette étude fournit des preuves solides de l’existence du champ magnétique, qui est l’une des conditions préalables à cet effet magnétique chiral », a déclaré Shen.
Le champ magnétique et les propriétés électromagnétiques du QGP jouent également un rôle dans la détermination des conditions dans lesquelles les quarks et les gluons libres et déconfinés fusionnent pour former des particules composites appelées hadrons, telles que les protons et les neutrons qui constituent les noyaux ordinaires.
« Nous voulons tracer le « diagramme de phases » nucléaire, qui montre à quelle température les quarks et les gluons peuvent être considérés comme libres et à quelle température ils « gèleront » pour devenir des hadrons. Ces propriétés et les interactions fondamentales des quarks et des gluons, qui sont médiées par la force forte, seront modifiées sous un champ électromagnétique extrême », a déclaré Wang. Avec cette nouvelle sonde des propriétés électromagnétiques du QGP, a-t-il ajouté, « nous pouvons étudier ces propriétés fondamentales dans une autre dimension pour fournir plus d’informations sur l’interaction forte ».
Pour l’instant, soulignent les scientifiques, les théoriciens examineront ces résultats pour affiner les interprétations.
Cette recherche a été financée par le DOE Office of Science, la National Science Foundation des États-Unis et un certain nombre d’organisations et d’agences internationales répertoriées dans l’article scientifique. L’équipe STAR a utilisé les ressources informatiques du Scientific Data and Computing Center du Brookhaven Lab, du National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) du Lawrence Berkeley National Laboratory du DOE et du consortium Open Science Grid.
