نیرومندترین میدان مغناطیسی درون ماده هسته‌ای کشف شد

 یک همکاری بین‌المللی بین دانشمندانی که با داده‌های تشکیل شده در برخورد دهنده یون سنگین نسبیتی(RHIC) در آزمایشگاه ملی بروکهاون در ایالات متحده کار می‌کنند، نیرومندترین میدان مغناطیسی شناخته شده را داخل ماده هسته‌ای اشکار کرده است.

این میدان به علت جریان الکتریکی القا شده در کوارک‌ها و گلوئون‌ها تشکیل می‌شود که بعد از برخورد ذرات در برخورد دهنده آزاد خواهد شد.

ستاره‌های نوترونی، چگال‌ترین اجرام شناخته‌شده در جهان می باشند که نیرومندترین میدان‌های مغناطیسی را دارند که اندازه آن ۱۰۱۴ گاوس است. این در حالی است که میدان مغناطیسی اطراف سیاره ما که از ما در برابر تشعشعات کیهانی و ذرات ساطع شده از خورشید محافظت می‌کند، تنها ۰.۵ گاوس است.

دانشمندان مدتها بر این باور بودند که برخورد هسته‌های اتمی سنگین همانند طلا می‌تواند میدان‌های مغناطیسی قدرتمندی را تشکیل کند که پیش‌بینی می‌شود ۱۰۱۸ گاوس اندازه داشته باشند و به گمان زیادً آن را به نیرومندترین میدان مغناطیسی در جهان ما تبدیل می‌کند.

با این حال، این میدان مغناطیسی برای زمان بسیاری دوام نمی‌آورد و ظرف ۱۰ به توان منفی ۲۳ ثانیه از بین می‌رود که معادل ۱۰ میلیونم یک میلیاردم یک میلیاردم ثانیه است و مشاهده آن تقریبا غیرممکن است.

مشاهده غیرمستقیم

اگر یک میدان مغناطیسی وجود داشته باشد، ناچار است بر حرکت ذرات باردار تأثیر بگذارد و این چنین میدان‌های الکترومغناطیسی را القا کند.

آیهونگ تانگ فیزیکدان آزمایشگاه بروکهاون که در این پژوهش شرکت داشت، می‌گوید: ما می‌خواستیم ببینیم که آیا ذرات باردار تشکیل شده در برخوردهای یون‌های سنگین به‌طوری منحرف خواهد شد که تنها با وجود میدان الکترومغناطیسی در ذرات کوچک QGP(کوارک‌ها و پلاسمای گلوئون‌ها) تشکیل شده در این برخوردهای(یون سنگین) قابل توضیح است یا خیر.

سپس پژوهشگران از سیستم‌های آشکارساز پیچیده برای ردیابی حرکت جمعی ذرات باردار گوناگون منفعت گیری کردند. آنها این چنین می‌خواستند مطمعن حاصل کنند که انحرافات ناشی از کوارک‌های باردار از مشاهداتشان کنار گذاشته شود. خوشبختانه، این کوارک‌های باردار الگویی در جهت ناموافق تشکیل کردند که تشخیص این دو را آسان‌تر می‌کرد.

دلنشین دقت است که پژوهشگران این سیگنال‌ها را نه تنها در برخوردهای هسته‌های سنگین همانند طلا با انرژی بالا، بلکه در برخورد هسته‌های کوچکتر همانند روتنیم-روتنیم و زیرکونیوم-زیرکونیوم با انرژی کم ۲۰۰ گیگاالکترون‌ولت(GeV) مشاهده کردند. این این چنین هنگامی مشاهده شد که هسته‌های طلا در انرژی ۲۷ گیگاالکترون‌ولت با هم برخورد کردند.

این کشف چطور به ما پشتیبانی می‌کند؟

اکنون که دانشمندان القای فارادی(القای یک میدان الکترومغناطیسی توسط میدان‌های مغناطیسی) را در QGP مشاهده کرده‌اند، اکنون می‌توانند از آن برای بازدید رسانایی QGP منفعت گیری کنند، کاری که قبلاً هیچ‌کس انجام نداده است. این اندازه‌گیری زیاد ساده است، چون انحراف ذرات با قوت میدان مغناطیسی و رسانایی QGP نسبت مستقیم دارد.

دانستن خواص مغناطیسی و الکترومغناطیسی QGP این چنین می‌تواند به دانشمندان پشتیبانی کند تا شرایطی را که در آن کوارک‌ها و گلوئون‌های آزاد به هم می‌پیوندند و هادرون‌ها(پروتون‌ها و نوترون‌هایی که هسته‌های اتمی را راه اندازی خواهند داد)، تعیین کنند.

گانگ وانگ فیزیکدان دانشگاه کالیفرنیا لس‌آنجلس از اعضای این تیم پژوهشی می‌گوید: ما می‌خواهیم «نمودار حالت هسته‌ای» را ترسیم کنیم که نشان دهد در چه دمایی کوارک‌ها و گلوئون‌ها را می‌توان آزاد در نظر گرفت و در چه دمایی «منجمد» خواهد شد تا تبدیل به هادرون شوند.

او گفت: این ویژگی‌ها و برهمکنش‌های اساسی کوارک‌ها و گلوئون‌ها که با واسطه نیروی قوی انجام خواهد شد، تحت یک میدان الکترومغناطیسی شدید اصلاح خواهند شد. ما می‌توانیم این ویژگی‌های اساسی را در بُعد فرد دیگر بازدید کنیم تا اطلاعات بیشتری در رابطه این تعامل قوی اراعه کنیم.

یافته‌های این پژوهش در مجله Physical Review X انتشار شده است.