Представьте себе мощнейший микроскоп, который вместо света использует столкновения целых атомов. Ученые разгоняют тяжелые заряженные ядра, например, золота или свинца, почти до скорости света и сталкивают их лоб в лоб.

Главная цель этих экспериментов — воссоздать и изучить уникальное состояние материи, кварк-глюонную плазму. В обычной жизни кварки и глюоны, из которых состоят протоны и нейтроны, надежно заперты внутри этих частиц. Но в кварк-глюонной плазме они обретают свободу, подобно тому, как это было в первые мгновения после Большого взрыва. За этим явлением наблюдают на двух крупнейших установках: Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) в США и Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе.

Один из самых интригующих аспектов таких столкновений — рождение невероятно сильных магнитных полей. Их мощность достигает 10¹⁸ Гаусс, что в миллионы раз превышает поле нейтронных звезд.

Хотя классические уравнения Максвелла позволяют оценить пиковую силу такого поля, проследить за его стремительной эволюцией крайне сложно. Оно существует лишь доли секунды и сильно зависит от поведения самой кварк-глюонной плазмы. К счастью, новые экспериментальные методы позволяют буквально «поймать» следы этого поля.

В свежем исследовании, опубликованном в журнале Research, группа ученых обобщила последние достижения в этой области.

Кварк-глюонная плазма рождается только в самых лобовых столкновениях положительно заряженных ядер, — поясняет доктор Дию Шень из Фуданьского университета. — Но чаще ядра сталкиваются не по центру. Положительно заряженные «протоны-зрители», которые пролетают мимо области столкновения, создают вокруг себя колоссальные магнитные поля. Сила этого поля меняется от события к событию и зависит от того, где именно пролетели эти протоны.

Используя различные наблюдаемые эффекты, чувствительные к разным стадиям жизни магнитного поля, физики могут восстановить его историю.

Команда описала несколько хитрых экспериментальных методик.

• Один из способов — изучение сверхпериферических столкновений, когда ядра пролетают достаточно далеко друг от друга, чтобы не столкнуться напрямую, но достаточно близко для взаимодействия. Такие столкновения чувствительны к распределению протонов внутри ядра и помогают оценить силу рождающегося магнитного поля.
• Другой ключевой метод — анализ движения заряженных частиц после столкновения. Магнитное поле и возникающее по закону электромагнитной индукции электрическое поле отклоняют положительные и отрицательные частицы в разные стороны. Это разделение зарядов служит уникальным отпечатком изначального магнитного поля. Недавние эксперименты на коллайдере RHIC со столкновениями ядер золота, рутения и циркония успешно зафиксировали этот эффект.

Кроме того, магнитное поле влияет на спины особых частиц — гиперонов и антигиперонов. Измеряя тонкие различия в поляризации между частицами и античастицами, можно оценить, как долго существовало поле.

Наш анализ показывает, что измерения магнитного поля на разных стадиях столкновения необходимы, чтобы составить карту его эволюции, — отмечает доктор Шень. — Например, направленное течение D0-мезонов, как считается, чувствительно к магнитному полю на самых ранних этапах.

Реальная польза этого исследования лежит не в сиюминутном практическом применении, а в фундаментальном понимании законов нашей Вселенной. Изучение поведения материи в экстремальных условиях кварк-глюонной плазмы и сопутствующих сверхсильных магнитных полей — это прямой способ проверить и уточнить Стандартную модель физики элементарных частиц. Мы можем столкнуться с новыми явлениями, которые потребуют ее расширения. Понимание того, как ведет себя материя при таких энергиях, критически важно для построения моделей эволюции Вселенной в первые микросекунды после Большого Взрыва. В долгосрочной перспективе любое углубление наших знаний о фундаментальных взаимодействиях может привести к непредсказуемым сегодня прорывам, как это было с квантовой механикой, без которой немыслимы современные компьютеры.

Основное критическое замечание заключается в чрезвычайной косвенности всех предлагаемых методов измерения. Исследователи не измеряют магнитное поле напрямую, а интерпретируют его свойства через вторичные эффекты: асимметрию потоков частиц или поляризацию гиперонов. Каждый из этих эффектов может иметь и другие, не магнитные причины, связанные со сложной динамикой самой кварк-глюонной плазмы. Таким образом, построение «карты эволюции» поля требует использования сложных теоретических моделей, которые сами по себе являются предметом дискуссий. Выводы о силе и времени жизни поля могут сильно зависеть от выбранной модели, что вносит значительную неопределенность.

Ранее ученые выяснили, что скрывают протоны.