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高能粒子碰撞产生超强磁场,比磁星还强一万倍

2024年3月18日8:33 未解之谜网

    具有强磁场的磁星的艺术假想图。(ESO/L. Calçada/CC By-SA 4.0)

    在传统物理学中,磁星(magnetar)被公认为磁力之王,然而在夸克-胶子等离子体中观测到的量子磁场,其强度却是前者的10,000倍。物理学家在一项新实验中记录下了一个极为强大的磁场,这是由原子偏心重核碰撞事件产生的。

    深入了解夸克-胶子等离子体的特性,将有助于物理学家揭开宇宙在大爆炸后不久的神秘面纱,并解开物质如何主宰宇宙演化的终极之谜。

    宇宙是一个磁场极端强烈的空间。举例来说,磁星能够产生超过100兆高斯的强磁场,相较之下,你的冰箱贴的磁铁产生的磁场强度仅约100高斯。这种极端的磁场强度足以使星体形状扭曲,从而向宇宙发射出引力波。

    听起来相当震撼,不是吗?然而,这种能够改变时空结构的磁场,与量子世界中生成的磁场相比,还差得远呢。

    在纽约州布鲁克黑文国家实验室的相对论性重离子对撞机上进行的一项新研究中,科学家记录到了一场重原子核偏心碰撞后形成的夸克-胶子浆中的一个“超强”磁场。根据2月23日发表在《物理评论X》期刊的研究结果,这个磁场的强度是磁星的10,000倍。

    “那些快速移动的正电荷应该会产生非常强的磁场,估计为10¹⁸高斯,”合著者、来自加州大学洛杉矶分校的恒星物理学家王刚(Gang Wang,音译)在一份新闻声明中表示,“这可能是我们宇宙中最强的磁场。”

    利用对撞机的实验方法

    科学家们利用房屋大小的对撞机追踪了重离子发生偏心碰撞后的轨迹。理论预测,这样的碰撞应该会产生强磁场,因为一些未参与碰撞的带正电的质子和不带电的中子,当其以接近光速通过时,会在产生的夸克-胶子等离子体中旋转。

    排除了产生如此强磁场的其它原因后,研究人员发现了一种“电荷相关偏转”(charge-dependent deflection)现象,这种偏转只能由法拉第感应现象引起,即由强磁场的快速衰减引起。这种相互作用影响了带电粒子的轨迹,科学家们随后能够测量这种影响。

    这是一件好事,因为与磁星在其整个生命周期中只产生的强磁场不同,这些由偏心碰撞产生的超强磁场仅发生在百万分之十亿分之十亿分之一秒。这使得它无法单独被捕获,但其影响可从亚原子粒子产生的散射中观测到。

    “我们可从系统整体运动的测量中推断出电导率的值”,合著者、中国复旦大学的恒星物理学家沈弟瑜 (Diyu Shen,音译)在一份新闻声明中表示,“粒子偏转的程度与夸克-胶子等离子体中的电磁场强度和电导率直接相关,而且之前没有人测量过夸克-胶子等离子体的电导率。”

    了解夸克-胶子等离子体的特性有助于物理学家探索宇宙大爆炸后不久,在自由漫游的夸克和胶子结合成强子(从而形成原子的质子和中子)之前的宇宙是什么样子。这些碰撞也应该有助于专家们探究手性磁效应(CME)的复杂性。

    所以,虽然宏观宇宙中确实存在大量强磁场,但微观量子世界也能生成它独特的超强磁场,完全不输给宏观世界。

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