宇宙最强磁场留下的印记

夸克和胶子是宇宙中的基本粒子，它们在强力的作用下紧紧束缚在一起，形成质子和中子这样的复合粒子。但是，在一种被称为夸克胶子等离子体（QGP）的物态下，夸克和胶子是自由的，或者说它们是“退禁闭”的。

QGP是一种在极高温度下，由夸克和胶子所形成的等离子体。根据理论的预测，在大爆炸后的微秒之内，温度高到令人难以置信的地步，那时我们的宇宙中就充满了QGP。而可能存在于宇宙早期中的巨大电场和磁场，影响了QGP的运动，并塑造了早期宇宙的结构。

在一篇于近期发表在《物理评论X》上的新研究中，研究人员在对来自重离子对撞的数据进行新的分析后，为QGP的电磁特性提供了新的见解。

比中子星还强大的磁场

相对论性重离子对撞机（RHIC）是一个高能粒子对撞设备。其中，名为STAR的探测器被专门用于追踪由重离子碰撞后所产生的QGP。

科学家可以利用STAR探测器追踪相对论性重离子对撞机（RHIC）中的重离子碰撞产生的粒子轨迹，这张合成图像显示了STAR探测器和来自高能金-金碰撞的粒子轨迹（蓝色线条）。（图/ Roger Stoutenburgh & Jen Abramowitz / Brookhaven National Laboratory）

在STAR实验中，这些重离子的对撞并非是完全正面的，当它们以接近光速的速度相互擦过时，经常会有大量未发生碰撞的带正电荷的核物质高速穿过碰撞区。这些快速移动的正电荷可能会产生一个短暂但强大的磁场，预计强度为10¹⁸高斯。

这可能是宇宙中最强的磁场！因为即便是宇宙中最致密的天体——中子星，磁场也只有约10¹⁴高斯；我们用来装饰冰箱的磁铁所产生的磁场约100高斯；地球表面的保护性磁场仅为0.5高斯。

但是，这个强大的磁场却极其难以通过实验测量，这是因为重离子碰撞发生得非常快，所以产生的磁场并不能持续很长——它会在不到10⁻²³秒的时间内消散。

因此，为了研究磁场如何与QGP相互作用，STAR合作组的科学家并没有选择直接测量磁场，而是转而寻找这个强大的磁场对碰撞时所产生的粒子的影响。

探测偏转

为了探测这个转瞬即逝的磁场以及它与QGP的相互作用，RHIC的STAR合作组在200 GeV（2000亿电子伏特）的能量下，将金-金、钌-钌和锆-锆原子核进行偏离中心的高能对撞，以产生QGP。除此之外，他们还在能量相对较低的27GeV，将金-金原子核进行相似的对撞。每次对撞后，QGP只存活了不到10⁻²³秒，然后夸克开始形成两夸克和三夸克粒子，最终飞入探测器。

偏离中心的重离子对撞会产生夸克胶子等离子体和强磁场。（图/T. Bowman and J. Abramowitz/Brookhaven National Laboratory）

研究人员比较了探测到的带正电荷的粒子（如质子）和带负电荷的粒子（如反质子）的角分布。他们看到了在不同磁效应的组合效应下，带电粒子出现了预期的偏转模式。在这些磁效应中，占主导的一种是法拉第感应，法拉第感应中的磁场会随着时间的推移而变化（在这个实例中是迅速减小），并产生一个可以推动带电粒子的电场。

超强磁场（B）的快速衰减通过法拉第感应产生电流，影响带电粒子的运动轨迹。偏转程度与夸克胶子等离子体（QGP）的电导率直接相关，为科学家提供了一种测量这一重要特性的方法。（图 / Diyu Shen / 复旦大学）

在金-金、钌-钌和锆-锆原子核的对撞中，都探测到这样的信号，意味着这种磁效应是普遍存在的。当研究人员在分析能量相对较低的27GeV的金-金核碰撞数据时，他们甚至发现了一个更强的信号。这一发现为带电粒子的偏转是由对撞所产生的强磁场所引起的，提供了更多的支持证据。这是因为，法拉第感应发生在磁场消散时，在能量较低的对撞中，这种过程发生得更慢，磁场的寿命更长，因此这种磁效应也就更强。

意义重大

这是对磁场如何与QGP相互作用的首次测量，它为这些强大磁场的存在提供了直接证据。

这一结果对于试图理解控制夸克和胶子的基本定律的物理学家来说是非常重要。它意味着通过测量带电粒子的集体运动，可以推断出QGP的电导率的可能值。QGP的电导率是早期宇宙模型的一个属性。在此之前，还没有实验对QGP的电导率进行过测量。

#创作团队：

撰文：小雨

排版：雯雯

#参考来源：

https://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=121694

https://physics.aps.org/articles/v17/31

#图片来源：

封面图&首图：Tiffany Bowman and Jen Abramowitz / Brookhaven National Laboratory