Découvrez les secrets nucléaires des champs magnétiques les plus puissants de l’univers




Collisions d’ions lourds

Collisions d’ions lourds générant un champ électromagnétique puissant

Les collisions d’ions lourds génèrent un champ électromagnétique extrêmement puissant. Les scientifiques enquêtent sur les traces de ce puissant champ électromagnétique dans le plasma quark-gluon (QGP), un état où les quarks et les gluons sont libérés des protons et neutrons en collision. Crédit: Tiffany Bowman et Jen Abramowitz / Laboratoire national de Brookhaven Les données des collisions d’ions lourds donnent un nouvel aperçu des propriétés électromagnétiques du plasma quark-gluon. Une nouvelle analyse menée par la collaboration STAR au Collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC), un collisionneur de particules au Laboratoire national de Brookhaven du département de l’énergie des États-Unis (DOE), fournit les premières preuves directes de l’empreinte laissée par ce qui pourrait être les champs magnétiques les plus puissants de l’univers sur la matière nucléaire « déconfinée ». Les preuves proviennent de la mesure de la manière dont des particules de charges différentes se séparent à la sortie des collisions de noyaux atomiques dans cette installation scientifique du DOE Office of Science. Comme décrit dans le journal Physical Review X, les données indiquent que les puissants champs magnétiques générés dans des collisions excentrées induisent un courant électrique dans les quarks et les gluons libérés, ou déconfinés, des protons et neutrons par les chocs de particules. Les résultats offrent aux scientifiques un nouveau moyen d’étudier la conductivité électrique de ce « plasma quark-gluon » (QGP) pour en apprendre davantage sur ces éléments constitutifs fondamentaux des noyaux atomiques. « Il s’agit de la première mesure de l’interaction du champ magnétique avec le plasma quark-gluon (QGP) », a déclaré Diyu Shen, physicien de STAR de l’université Fudan en Chine et chef de la nouvelle analyse. En fait, mesurer l’impact de cette interaction fournit des preuves directes de l’existence de ces puissants champs magnétiques. Les trajectoires des particules émergeant des collisions d’ions lourds peuvent être suivies 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 trajectoires de particules d’un choc frontal de haute énergie entre or-or. Crédit: Laboratoire national de Brookhaven Plus puissant qu’une étoile à neutrons Les scientifiques ont longtemps cru que les collisions excentrées de noyaux atomiques lourds tels que l’or, également connus sous le nom d’ions lourds, généreraient des champs magnétiques puissants. Cela est dû au fait que certains des protons positivement chargés non collidants – et les neutrons neutres – qui composent les noyaux seraient mis en rotation lorsque les ions se frôlent à près de la vitesse de la lumière. Gang Wang, physicien de STAR de l’Université de Californie, Los Angeles, a déclaré que « ces charges positives en mouvement rapide devraient générer un champ magnétique très fort, prévu à 1018 gauss ». Pour 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 le champ magnétique protecteur de notre planète mesure à peine 0,5 gauss. « C’est probablement le champ magnétique le plus puissant de notre univers. ». Cependant, comme les choses se produisent très rapidement lors des collisions d’ions lourds, le champ ne dure pas longtemps. Il se dissipe en moins de 10-23 secondes, rendant difficile son observation. Ainsi, au lieu de tenter de mesurer le champ directement, les scientifiques de STAR ont cherché des preuves de son impact sur les particules qui s’échappent des collisions. « Plus précisément, nous avons examin
gé le mouvement collectif des particules chargées », a déclaré Wang. Une vue de dessus d’une collision d’ions lourds excentrée. La décroissance 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), offrant aux scientifiques un moyen de mesurer cette propriété importante. Crédit: Diyu Shen / Fundan University Détection des déviations Il est bien connu que les champs magnétiques peuvent affecter le mouvement des particules chargées et même induire des champs électromagnétiques dans des formes de matière conductive telles que les métaux. C’est la même chose qui se passe ici, mais à une échelle beaucoup plus petite. « Nous voulions voir si les particules chargées générées lors de collisions excentrées d’ions lourds étaient déviées d’une manière qui ne pouvait s’expliquer que par l’existence d’un champ électromagnétique dans les minuscules fragments de QGP créés lors de ces collisions », a déclaré Aihong Tang, physicien du Laboratoire de Brookhaven 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 éliminant l’influence d’autres effets non électromagnétiques. Ils étaient surtout intéressés à éliminer les déviations causées par les quarks chargés transportés en tant que partie des noyaux en collision. Heureusement, ces « quarks transportés » produisent un schéma de déviation opposé à celui déclenché par le courant électrique induit par le champ magnétique, connu sous le nom d’induction de Faraday. Un signal clair « Au final, nous observons un schéma de déviation dépendant de la charge qui ne peut être déclenché 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 fort non seulement dans les collisions excentrées de deux noyaux d’or à haute énergie – or-or à 200 milliards d’électrons-volts, ou GeV – mais aussi dans les collisions excentrées de noyaux plus petits – ruthénium-ruthénium et zirconium-zirconium, tous deux à 200 GeV. « Cet effet est universel. Il se produit non seulement dans un grand système mais aussi dans un système plus petit », a déclaré Shen. Les scientifiques ont observé un signal encore plus fort lorsqu’ils ont analysé les données des collisions d’or-or à une énergie relativement faible – 27 GeV. Cette découverte fournit des preuves supplémentaires que le champ électromagnétique dévié par les particules a été induit par les puissants champs magnétiques générés par les collisions excentrées. Cela est dû au fait que l’induction de Faraday se produit lorsque le champ magnétique se dissipe. Lors des collisions à plus faible énergie, cela se produit plus lentement. « Cet effet est plus fort à plus faible énergie car la durée de vie d’un champ magnétique est plus longue à plus faible énergie ; la vitesse des fragments nucléaires est moins élevée, de sorte que le champ magnétique et ses effets durent plus longtemps », a déclaré Wang. Implications Maintenant que les scientifiques ont des preuves que les champs magnétiques induisent un champ électromagnétique dans le QGP, ils peuvent utiliser l’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 de notre mesure du mouvement collectif. Le degré de déviation des particules est directement lié à la force du champ électromagnétique et à la conductivité dans le QGP – et personne n’a mesuré la conductivité du QGP auparavant ». Comprendre les propriétés électromagnétiques fondamentales du QGP pourrait offrir des perspectives sur des questions importantes en physique. Entre autres choses, les champs magnétiques qui induisent les effets électromagnétiques peuvent contribuer à une séparation intéressante des particules selon leur «dextérité» ou chiralité. « Cette étude apporte de solides preuves 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 gluons libres et déconfinés se regroupent pour former des particules composites appelées hadrons – comme les protons et les neutrons qui composent les noyaux ordinaires. « Nous voulons cartographier le ‘diagramme de phase’ nucléaire, qui montre à quelle température les quarks et gluons peuvent être considérés comme libres et à quelle température ils se ‘figent’ pour devenir des hadrons. Ces propriétés et les interactions fondamentales des quarks et gluons, qui sont médiées par la force forte, seront modifiées sous l’effet d’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 davantage d’informations sur l’interaction forte ». Pour l’instant, les scientifiques ont souligné que les théoriciens examineront ces résultats pour aider à affiner les interprétations. Cette recherche a été financée par le DOE Office of Science, la National Science Foundation américaine et une série d’organisations et d’agences internationales répertoriées dans l’article scientifique. L’équipe STAR a utilisé des ressources informatiques au Centre scientifique de données et de calcul du Laboratoire de Brookhaven, au Centre de calcul scientifique et énergétique nationale de Brookhaven (NERSC) au Laboratoire national Lawrence Berkeley du DOE et au consortium Open Science Grid.