Присутствие этой волны — одно из последствий, которые ученые ожидали наблюдать в кварк-глюонной плазме — состоянии материи, существовавшем в ранней Вселенной, когда кварки и глюоны, строительные блоки протонов и нейтронов, были свободны, прежде чем стать неразрывно связаны с этими более крупными частицами. Предварительное открытие, если оно подтвердится, предоставит дополнительные доказательства того, что столкновения энергичных ионов золота на RHIC воссоздают сгустки огненной плазмы размером с ядро тысячи раз в секунду. Это также предоставит косвенные доказательства в поддержку отдельного, давно обсуждаемого квантового явления, необходимого для существования волны. Результаты описаны в документе, который будет выделен как предложение редакции в физических рецензиях.
Чтобы попытаться понять эти результаты, давайте заглянем вглубь плазмы, в кажущийся сюрреалистичным мир, где магнитные поля разделяют левые и правые «частицы», создавая волны, которые по-разному влияют на то, как движутся отрицательно и положительно заряженные частицы.«То, что мы измеряем в нашем детекторе, — это тенденция отрицательно заряженных частиц выходить из столкновений вокруг« экватора »огненного шара, в то время как положительно заряженные частицы подталкиваются к полюсам», — сказал сотрудник STAR Хунвэй Кэ, постдокторант в Брукхейвен.
Но причины этого дифференциального потока, объяснил он, начинаются, когда ионы золота сталкиваются.Ионы представляют собой атомы золота, лишенные своих электронов, в результате чего в голом ядре остается 79 положительно заряженных протонов. Когда эти ионы сталкиваются друг с другом даже с небольшим смещением от центра, вся смесь заряженного вещества начинает закручиваться.
Этот вращающийся положительный заряд создает мощное магнитное поле, перпендикулярное циркулирующей массе материи, объяснил Кэ. Представьте себе вращающуюся сферу с северным и южным полюсами.Внутри этой закрученной массы находится огромное количество субатомных частиц, включая кварки и глюоны на ранней стадии, и другие частицы на более поздней стадии, созданные за счет энергии, вложенной в зону столкновения.
Многие из этих частиц также вращаются при движении в магнитном поле. Направление их вращения относительно направления движения — это свойство, называемое хиральностью или хиральностью; частица, движущаяся от вас и вращающаяся по часовой стрелке, будет правой, а вращающаяся против часовой стрелки — левой.
По словам Ганга Ванга, сотрудника STAR из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, если количество частиц и античастиц различно, магнитное поле будет по-разному влиять на эти левые и правые частицы, заставляя их разделяться вдоль оси магнитное поле в соответствии с их «киральным зарядом».«Это« хиральное разделение »действует как семя, которое, в свою очередь, вызывает разделение частиц с разными зарядами», — сказал Ганг. «Это вызывает еще большее хиральное разделение, большее разделение зарядов и т. Д. — с двумя эффектами, накладывающимися друг на друга, как волна, отсюда и название« киральная магнитная волна ». В конце концов, вы видите, что эти два эффекта вместе подталкивают больше отрицательных частиц к экватору, а положительных — к полюсам ».Чтобы найти этот эффект, ученые STAR измерили коллективное движение определенных положительно и отрицательно заряженных частиц, образующихся в столкновениях с RHIC.
Они обнаружили, что коллективный эллиптический поток отрицательно заряженных частиц — их тенденция вытекать вдоль экватора — был усилен, в то время как эллиптический поток положительных частиц был подавлен, что привело к большему количеству положительных частиц на полюсах. Важно отметить, что разница в эллиптическом потоке между положительными и отрицательными частицами увеличивалась с увеличением чистой плотности заряда, возникающей в столкновениях с RHIC.Согласно публикации STAR, это именно то, что ожидается от расчетов с использованием теории, предсказывающей существование киральной магнитной волны. Авторы отмечают, что результаты справедливы для всех энергий, при которых считается, что кварк-глюонная плазма создается на RHIC, и что пока никакая другая модель не может их объяснить.
Открытие, говорит Айхонг Тан, физик STAR из Brookhaven Lab, имеет несколько важных последствий.«Во-первых, наличие доказательств наличия киральной магнитной волны означает, что элементы, необходимые для создания волны, также должны существовать в кварк-глюонной плазме.
Одним из них является киральный магнитный эффект — явление квантовой физики, которое вызывает разделение электрических зарядов вдоль ось магнитного поля — тема, горячо обсуждаемая в физике. Свидетельство наличия волны свидетельствует о существовании кирального магнитного эффекта ». Сказал Тан.Киральный магнитный эффект также связан с другим интригующим наблюдением на RHIC более локализованного разделения зарядов в кварк-глюонной плазме. Таким образом, это новое свидетельство волны обеспечивает косвенную поддержку ранее сделанных выводов.
Наконец, Тан указал, что процесс, приводящий к распространению киральной магнитной волны, требует «восстановления киральной симметрии» — независимой идентичности левых и правых частиц.«В« основном состоянии »квантовой хромодинамики (КХД) — теории, описывающей фундаментальные взаимодействия кварков и глюонов — киральная симметрия нарушена, и левые и правые частицы могут переходить друг в друга. заряд будет устранен, и вы не увидите распространения киральной магнитной волны », — сказал ядерный теоретик Дмитрий Харзеев, физик из Брукхейвенского и Стони-Брукского университетов.
Но КХД предсказывает, что когда кварки и глюоны освобождаются от протонов и нейтронов, как в кварк-глюонной плазме, киральная симметрия восстанавливается. Таким образом, наблюдение киральной волны свидетельствует о восстановлении киральной симметрии — ключевого признака создания кварк-глюонной плазмы.«Как деконфайнмент восстанавливает симметрию? Это одна из главных вещей, которые мы хотим решить», — сказал Харзеев. «Из численных исследований КХД мы знаем, что деконфайнмент и восстановление происходят вместе, что предполагает наличие некоторой глубокой связи.
Мы действительно хотим понять эту связь».Физик из Брукхейвена Чжанбу Сюй, представитель коллаборации STAR, добавил: «Чтобы улучшить нашу способность искать и понимать киральные эффекты, мы хотели бы сравнить столкновения ядер с одинаковым массовым числом, но разным числом протонов — и следовательно, различное количество положительного заряда (например, рутений, массовое число 96 с 44 протонами и цирконий, массовое число 96 с 40 протонами). Это позволило бы нам изменять силу начального магнитного поля, сохраняя при этом все остальные условия по существу такой же."