Es gibt Orte im Universum, an denen Materie so stark verzerrt wird, dass der Magnetismus eine unvorstellbare Kraft entwickelt. Die gravitativ verdichteten Kerne dieser hochdynamischen Neutronensterne, sogenannte Magnetare, konzentrieren Magnetfelder auf eine Stärke von etwa 100 Billionen Gauss.
Dennoch könnte es hier auf der Erde Zonen geben, in denen winzige Magnettaschen mit einer Stärke flackern, die selbst diese kosmischen Monstrositäten bei weitem übersteigt.
Eine Analyse der Teilchenwechselwirkungen am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) im Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) hat Spuren rekordverdächtiger Magnetfelder gefunden, die in den Materialspray eingeprägt sind, der durch das Zusammenprallen von Kernen verschiedener Schwerionen freigesetzt wird .
Durch die Messung der Splitter noch kleinerer Quark- und Gluonenteilchen, die durch außermittige Kollisionen freigesetzt werden, haben Physiker Einblicke in die Kräfte gewonnen, die tief im Inneren von Atomen wirken.
„Dies ist die erste Messung, wie das Magnetfeld mit dem Quark-Gluon-Plasma (QGP) interagiert“, sagt Diyu Shen, Physiker bei der Solenoidal Tracker at RHIC (STAR)-Kollaboration am DOE.
Quarks sind fundamentale Teilchen, die in Quantenstürmen aufflackern und wieder verschwinden. Ihre Wechselwirkungen werden von kurzlebigen Gluonenteilchen gesteuert, die die Quark- und Antiquark-Stürme in die Protonen und Neutronen binden, aus denen alle Atome bestehen.
Zu wissen, wie sich Quarks und Antiquarks während ihrer kurzen Lebensdauer in Kernteilchen ducken und abtauchen, hilft Physikern, den Aufbau der Materie von Grund auf besser zu verstehen, doch der Raum im Herzen eines Atoms ist kein Ort für schwache Nerven.
Während es theoretisch möglich ist, die Aktivität von Quarks und ihren gegensätzlich geladenen Antiquark-Zwillingen mithilfe des sogenannten chiralen magnetischen Effekts abzubilden, ist das elektromagnetische Feld in einem Nebel freiliegender Quarks und Gluonen in der Praxis zu kurzlebig, um es zu sehen, und lässt schnell nach zum Fluss der Konkurrenzströmungen.
Eine Situation, in der Physiker dachten, dass ein praktisches Magnetfeld erzeugt werden könnte, war eine Kollision zwischen schweren Kernen, die nicht perfekt im Zentrum waren.
Indem sie sich gegenseitig abschneiden, würden die Protonen innerhalb der massiven Bündel spiralförmig in einen geladenen Wirbel geschickt, der zu einem starken Magnetwirbel führen würde – so stark, dass sie mehr Gauss abgeben könnten als ein bebender Neutronenstern.
„Diese sich schnell bewegenden positiven Ladungen sollten ein sehr starkes Magnetfeld erzeugen, voraussichtlich 1018 Gauss“, sagt STAR-Physiker Gang Wang.
„Dies ist wahrscheinlich das stärkste Magnetfeld in unserem Universum.“
Das würde diese Magnetblitze 10.000 Mal stärker machen als der stärkste Magnetar und 10 Billiarden Mal stärker als die 100 Gauss eines typischen Kühlschrankmagneten.
Während Magnetare Zehntausende von Jahren lang ihre magnetischen Mahlströme erzeugen könnten, würden diese protoneninduzierten Magnetismusausbrüche nur zehn Millionstel einer Milliardstel einer Milliardstel Sekunde dauern, was jeden Blick auf das Feld selbst unmöglich macht.
Dennoch würden die geladenen Quarks, die durch die Kollision freigesetzt wurden, ihre Anwesenheit noch spüren.
Indem sie Goldkerne mit unterschiedlichen Energien aufeinander schleuderten und gleichzeitig Ruthenium und Zirkonium kollidierten, konnten die Forscher die Überreste durchsuchen und die Pfade der Partikel identifizieren, die auf die Anwesenheit des Magnetfelds hindeuteten.
Mit diesem Wissen konnten sie die Verteilung der Partikel auf eine Weise messen, die wichtige Details über die elektrische Leitfähigkeit des Quark-Gluon-Plasmas lieferte.
„Aus unserer Messung der kollektiven Bewegung können wir auf den Wert der Leitfähigkeit schließen“, sagt Shen.
„Das Ausmaß, in dem die Partikel abgelenkt werden, hängt direkt von der Stärke des elektromagnetischen Feldes und der Leitfähigkeit im QGP ab – und noch nie hat jemand die Leitfähigkeit von QGP gemessen.“
Diese Forschung wurde veröffentlicht in Körperliche Untersuchung X.