Heavy-quark spin precession as a magnetic field chronometer

Nelle collisioni più violente mai create dalle mani umane, dove i nuclei atomici si scontrano quasi alla velocità della luce, la natura ricrea brevemente le condizioni esistite appena dopo il Big Bang. Queste collisioni generano uno stato della materia chiamato plasma di quark e gluoni, una zuppa caldissima dove i mattoni fondamentali di protoni e neutroni vagano liberamente. Ma queste collisioni producono anche qualcosa di ancora più estremo: i campi magnetici più forti dell'universo conosciuto. Per decenni, i fisici hanno saputo che questi campi esistono, ma è rimasto un mistero ostinato: quanto durano? Svaniscono in un lampo mentre le particelle collidenti si allontanano, o il caldo plasma elettricamente conduttore li mantiene in vita per un tempo significativo? Risolvere questo enigma è cruciale perché la durata di questo campo magnetico influenza il modo in cui il plasma si comporta, come le particelle si muovono e come le forze fondamentali della natura operano in questi ambienti estremi.

Un nuovo studio propone un modo ingegnoso per cronometrare questo campo magnetico fugace osservando come ruotano le particelle pesanti. I ricercatori si sono concentrati su due tipi di quark pesanti, noti come charm e bottom, che vengono prodotti nel primissimo istante di una collisione. A differenza delle particelle più leggere che vengono costantemente urtate e rimescolate dal caldo plasma, questi quark pesanti sono massicci e stabili abbastanza da preservare la loro orientazione di spin iniziale mentre viaggiano attraverso il mezzo. Il team ha suggerito che se un campo magnetico persiste, esso agisce come una bussola cosmica, causando la lenta rotazione, o precessione, dello spin di queste particelle cariche mentre si muovono. Poiché i quark charm e i quark bottom trasportano cariche elettriche opposte, ruoterebbero in direzioni opposte se fosse presente un campo magnetico. Misurando la differenza nella direzione finale dello spin delle particelle composte da questi quark, gli scienziati potrebbero effettivamente leggere la storia della forza e della durata del campo magnetico.

Per testare questa idea, i ricercatori hanno costruito una simulazione dettagliata di una collisione di ioni pesanti, modellando l'espansione del plasma di quark e gluoni e l'evoluzione del campo magnetico nel tempo. Hanno esplorato tre diversi scenari per il comportamento del campo: uno in cui muore quasi istantaneamente nel vuoto, un altro in cui decade esponenzialmente, e un terzo in cui la conduttività elettrica del plasma aiuta a sostenere il campo per un periodo più lungo. Hanno tracciato il viaggio di quark charm e bottom polarizzati attraverso questi ambienti, calcolando esattamente quanto la loro rotazione di spin sarebbe stata prima che il plasma si raffreddasse abbastanza da permettere loro di formare nuove particelle. I risultati hanno mostato che, per intensità di campo magnetico realistiche, la rotazione accumulata è sufficientemente grande da essere misurata. Nello specifico, i quark charm, essendo più leggeri dei quark bottom, sviluppano un angolo di rotazione molto più grande, rendendoli particolarmente sensibili alla presenza del campo.

Lo studio ha scoperto che se il campo magnetico dura per diverse unità di tempo note come femtosecondi, la differenza di spin tra le particelle di materia e i loro corrispettivi di antimateria diventa distinta e misurabile. Questa differenza, nota come scissione della polarizzazione dipendente dalla carica, funge da firma unica. Poiché la rotazione dipende direttamente dal tempo totale in cui esiste il campo, osservare tale scissione fornirebbe la prova diretta che il campo magnetico è sopravvissuto abbastanza a lungo da influenzare i quark pesanti. Al contrario, se non venisse riscontrata alcuna differenza, ciò suggerirebbe che il campo sia svanito quasi immediatamente. I ricercatori hanno notato che questo metodo offre un modo più pulito per studiare il campo rispetto all'osservazione di particelle più leggere, che sono facilmente confuse da altri effetti come il movimento rotatorio del plasma stesso.

Le scoperte suggeriscono che la polarizzazione dei sapori pesanti, specialmente nel settore charm, agisce come un orologio affidabile per la vita del campo magnetico. Le simulazioni indicano che l'effetto è abbastanza forte da essere rilevato negli esperimenti attuali al Large Had Collider. Confrontando le direzioni di spin di particelle come il Lambda-c e il suo partner di antimateria, i fisici potrebbero finalmente stabilire quanto durano questi campi magnetici estremi. Questo approccio trasforma il quark pesante da passeggero passivo ad attivo registratore della storia elettromagnetica della collisione, offrendo un nuovo e preciso strumento per comprendere la dinamica del plasma di quark e gluoni. Gli autori concludono che le misurazioni future di queste particelle pesanti forniranno una finestra diretta sull'evoluzione spazio-temporale dei campi magnetici più forti della natura.