Wissenschaftler kartieren die heißeste Flüssigkeit des Universums und finden heraus, dass Beschleunigung im Wesentlichen eine große Sache ist

Wenn Atomkerne mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aufeinanderprallen, erzeugen sie kurzzeitig Quark-Gluon-Plasma, einen absurd heißen Zustand der Materie, in dem Quarks und Gluonen frei umherwandern. Dieses Zeug verhält sich wie eine nahezu perfekte Flüssigkeit und ermöglicht es Wissenschaftlern, Bedingungen zu beobachten, die denen kurz nach dem Urknall ähneln. Forscher haben viel Zeit damit verbracht, das dramatische Wirbeln des Plasmas und seine starken elektromagnetischen Felder zu beobachten, aber seine Beschleunigung? Kaum ein Blick. Das ist schade, denn die Beschleunigung ist es, die den Feuerball so schnell expandieren lässt – in der Hydrodynamik ist sie genauso fundamental wie die Vortizität, ähnlich wie elektrische und magnetische Felder beide für den Elektromagnetismus wesentlich sind.

Ein Team unter der Leitung der Physiker Yu-Gang Ma und Xu-Guang Huang von der Fudan-Universität beschloss zu kartieren, wie sich Beschleunigung in diesem Plasma bildet und verändert. Sie kombinierten zwei gängige Teilchentransportmodelle, AMPT und UrQMD, mit einer Gaußschen Glättungsmethode. Dieser Trick verwandelt einzelne Teilchenverteilungen in kontinuierliche Energie-, Impuls- und Geschwindigkeitsfelder und ermöglicht es ihnen, das Plasma als eine Flüssigkeit in Bewegung zu behandeln. Anschließend verfolgten sie die Beschleunigung über Kollisionsenergien von 3,5 GeV bis hinauf zu 2,76 TeV.

„Beschleunigung ist nicht nur ein kinematisches Detail – sie könnte als thermodynamischer Kontrollparameter von QCD-Materie wirken“, sagte Professor Huang, vermutlich während er seine Brille zurechtrückte.

Die Simulationen zeigten, dass die Spitzenwerte der Eigenbeschleunigung bei niedrigen und hohen Kollisionsenergien mehrere hundert MeV erreichen können. Die stärkste transversale Beschleunigung zeigt immer nach außen und lauert in der Nähe des äußeren Randes des Feuerballs. Warum? Weil der Druck dort schnell abfällt, während die Enthalpiedichte niedrig bleibt. Gemäß der relativistischen Euler-Gleichung verstärken sich diese beiden Faktoren gegenseitig und erhöhen die Beschleunigung. Der Rand ist also im Wesentlichen ein Beschleunigungs-Hotspot, was nach einem großartigen Ort klingt, den man meiden sollte.

Aber das Plasma verhält sich bei allen Energien nicht gleich. Bei niedrigeren Energien verlangsamt die nukleare Stoßbremsung anfänglich die Dinge, was zu einer Verzögerung von bis zu etwa 500 MeV führt. Bei ultrarelativistischen Energien durchdringen sich die Kerne so schnell, dass sie das neue Plasma in kurze, intensive Beschleunigungsimpulse zerren. Und da die stärkste Beschleunigung entlang der Grenze bleibt, spielt es keine große Rolle, ob die Kerne frontal oder in einem Winkel kollidieren – der Effekt ist ähnlich. Also nichts mit dramatischen Kollisionen.

Beschleunigung könnte mehr tun, als nur das Plasma zu bewegen. Durch den Unruh-Effekt würde ein beschleunigter Beobachter den leeren Raum als warmes Bad wahrnehmen. Eine Beschleunigung von mehreren hundert MeV könnte Temperaturen nahe der QCD-Übergangstemperatur ähneln. Das bedeutet, dass Beschleunigung eine neue „Beschleunigungsachse“ zur Phasenstruktur von QCD-Materie hinzufügen könnte, die sowohl den chiralen Übergang als auch den Quark-Confinement-Übergang beeinflussen könnte. Sie könnte auch Transporteffekte erzeugen und die Spin-Ausrichtung von Teilchen beeinflussen, was Vortizitätseffekte ergänzen und möglicherweise helfen könnte, seltsames Spin-Verhalten zu erklären, das am RHIC und am LHC beobachtet wurde.

Die Forscher planen, als Nächstes realistischere hydrodynamische Entwicklungen in ihre Berechnungen einzubeziehen. Sie hoffen auch, experimentelle Signale zu finden – wie Muster in der Hyperon-Spin-Polarisation – die die Fingerabdrücke der Beschleunigung offenbaren könnten. Durch die Verbindung nicht-inertialer Quanteneffekte mit messbarem Teilchenverhalten eröffnet diese Arbeit einen neuen Weg zur Untersuchung von Materie, die von der starken Wechselwirkung beherrscht wird.

„So wie Temperatur und Dichte das Phasendiagramm der Materie definieren, könnte Beschleunigung eine neue Achse dieses Diagramms eröffnen“, sagte Professor Huang. „Indem wir diese verborgene Dimension des Quark-Gluon-Plasmas kartieren, hoffen wir, nicht-inertiale Quanteneffekte in Signaturen zu verwandeln, die Experimente tatsächlich messen können.“ Mit anderen Worten: Sie verwandeln eine theoretische Kuriosität in etwas, das man tatsächlich an einem Collider sehen kann, was viel cooler ist, als es klingt.