重离子的碰撞会产生极强的电磁场。科学家们研究了夸克-胶子等离子体(QGP)中这种强大电磁场的痕迹，夸克和胶子在质子和中子碰撞中被释放出来。图片来源：Tiffany Bowman 和 Jen Abramowitz/布鲁克海文国家实验室

来自重离子碰撞的数据为夸克-胶子等离子体的电磁特性提供了新的见解。

美国能源部 (DOE) 布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机 (RHIC) 的 STAR 合作项目进行的一项新分析，提供了第一个直接证据，证明可能是宇宙中最强大的粒子留下的印记“解禁”核物质上的磁场。证据来自于在能源部科学办公室用户设施中测量不同带电粒子在原子核碰撞中分离时的分离方式。

正如《物理评论 X》杂志中所描述的那样，数据表明，偏心碰撞中产生的强大磁场会在夸克和胶子中感应出电流，这些夸克和胶子通过粒子粉碎而从质子和中子中释放或解除限制。这些发现为科学家提供了一种研究这种“夸克-胶子等离子体”(QGP)电导率的新方法，以更多地了解这些原子核的基本组成部分。

“这是对磁场如何与夸克-胶子等离子体(QGP)相互作用的首次测量，”中国复旦大学的 STAR 物理学家、新分析的负责人沉迪宇说。事实上，测量这种相互作用的影响提供了这些强大磁场存在的直接证据。

科学家可以使用 STAR 探测器追踪相对论重离子对撞机 (RHIC) 中重离子碰撞产生的粒子轨迹。这张合成图像显示了房屋大小的探测器和高能正面金金碰撞的样本粒子轨迹。图片来源：布鲁克海文国家实验室

比中子星更强大

科学家们长期以来相信，金等重原子核(也称为重离子)的偏心碰撞会产生强大的磁场。这是因为，当离子以接近光速的速度相互滑动时，构成原子核的一些非碰撞的带正电的质子和中性中子将被设置成漩涡。

加州大学洛杉矶分校的 STAR 物理学家 Gang Wang 表示：“那些快速移动的正电荷应该会产生非常强的磁场，预计强度为 10 ·18高斯。” 为了进行比较，他指出中子星(宇宙中密度最大的物体)的磁场约为 10 14高斯，而冰箱磁铁产生的磁场约为 100 高斯，而我们地球的保护磁场仅为 0.5 高斯。“这可能是我们宇宙中最强的磁场。”

但由于重离子碰撞中事情发生得非常快，因此该场不会持续很长时间。它在不到 10 -23秒(十亿分之一秒的百万分之一)内消散，使其难以观察。

因此，STAR 科学家没有尝试直接测量磁场，而是寻找磁场对碰撞中流出的粒子产生影响的证据。

“具体来说，我们正在研究带电粒子的集体运动，”王说。

偏心重离子碰撞的自上而下视图。超强磁场 (B) 的快速衰减会通过法拉第感应产生电流，影响带电粒子的轨迹。偏转程度与夸克-胶子等离子体(QGP)的电导率直接相关，这为科学家提供了一种测量这一重要特性的方法。图片来源：Diyu Shen/复旦大学

检测偏转

众所周知，磁场会影响带电粒子的运动，甚至会在金属等导电物质中感应出电磁场。这与这里发生的情况相同，但规模要小得多。

“我们想看看偏心重离子碰撞中产生的带电粒子是否以某种只能通过这些碰撞中产生的 QGP 微小斑点中存在电磁场来解释的偏转方式，”唐爱红说是布鲁克海文实验室的物理学家，也是 STAR 合作组织的成员。

该团队使用 STAR 先进的探测器系统来跟踪不同带电粒子对的集体运动，同时排除竞争性非电磁效应的影响。他们最感兴趣的是排除作为碰撞核的一部分传输的带电夸克引起的偏转。幸运的是，这些“传输夸克”会产生一种与磁场感应电流(称为法拉第感应)触发的偏转模式相反的偏转模式。

明确的信号

“最后，我们看到了一种依赖于电荷的偏转模式，这种偏转模式只能由 QGP 中的电磁场触发，这是法拉第感应的明显迹象，”唐说。

科学家们不仅在两个高能金核(2000亿电子伏特(GeV)的金-金)的偏心碰撞中看到了这种强烈的信号，而且还在较小的原子核(钌-钌和锆)的偏心碰撞中看到了这种强烈的信号。锆，均为 200 GeV。

“这种效应是普遍存在的。这种情况不仅发生在大系统中，也发生在较小的系统中。”沉说。

科学家们在分析相对较低能量(27 GeV)的金-金碰撞数据时发现了更强的信号。这一发现提供了更多支持证据，表明粒子偏转电磁场是由偏心碰撞产生的强大磁场引起的。

这是因为法拉第感应随着磁场的消散而发生。在低能量碰撞中，这种情况发生得更慢。

“这种效应在较低能量下更强，因为在较低能量下磁场的寿命更长;核碎片的速度较低，因此磁场及其影响持续时间更长，”王说。

影响

现在科学家们有证据表明磁场会在 QGP 中感应出电磁场，他们可以利用这种感应来探测 QGP 的电导率。

“这是一项基本且重要的财产，”沉说。“我们可以从集体运动的测量中推断出电导率的值。粒子偏转的程度与 QGP 中的电磁场强度和电导率直接相关，而之前没有人测量过 QGP 的电导率。”

了解 QGP 的基本电磁特性可以为物理学中的重要问题提供见解。一方面，诱发电磁效应的磁场可能有助于根据粒子的“旋向性”或手性进行有趣的分离。

“这项研究为磁场的存在提供了强有力的证据，这是这种‘手性磁效应’的先决条件之一，”沉说。

QGP 的磁场和电磁特性也在决定自由、解禁夸克和胶子合并形成称为强子的复合粒子(例如构成普通原子核的质子和中子)的条件方面发挥着重要作用。

“我们想要绘制出核‘相图’，它显示了夸克和胶子在什么温度下可以被认为是自由的，以及在什么温度下它们将‘冻结’成为强子。夸克和胶子的这些特性以及由强力介导的基本相互作用将在极端电磁场下发生改变。”王说。他补充说，通过这种对 QGP 电磁特性的新探测器，“我们可以在另一个维度研究这些基本特性，以提供有关强相互作用的更多信息。”

科学家们指出，目前理论家将研究这些结果以帮助完善解释。