Lorsque des noyaux atomiques se percutent à une vitesse proche de celle de la lumière, ils créent brièvement un plasma de quarks et de gluons, un état de la matière absurdement chaud où les quarks et les gluons se promènent en liberté. Cette substance se comporte comme un fluide presque parfait et permet aux scientifiques d'entrevoir des conditions similaires à celles qui régnaient juste après le Big Bang. Les chercheurs ont passé beaucoup de temps à observer les tourbillons spectaculaires du plasma et ses puissants champs électromagnétiques, mais son accélération ? À peine un coup d'œil. C'est dommage, car l'accélération est ce qui fait que la boule de feu se dilate si rapidement - en hydrodynamique, elle est aussi fondamentale que la vorticité, tout comme les champs électriques et magnétiques sont tous deux essentiels à l'électromagnétisme.

Une équipe dirigée par les physiciens de l'Université de Fudan, Yu-Gang Ma et Xu-Guang Huang, a décidé de cartographier comment l'accélération se forme et évolue à l'intérieur de ce plasma. Ils ont combiné deux modèles populaires de transport de particules, AMPT et UrQMD, avec une méthode de lissage gaussien. Cette astuce transforme les distributions individuelles de particules en champs continus d'énergie, de quantité de mouvement et de vitesse, leur permettant de traiter le plasma comme un fluide en mouvement. Ils ont ensuite suivi l'accélération pour des énergies de collision allant de 3,5 GeV jusqu'à 2,76 TeV.

« L'accélération n'est pas simplement un détail cinématique - elle pourrait agir comme un paramètre de contrôle thermodynamique de la matière QCD », a déclaré le professeur Huang, probablement en ajustant ses lunettes.

Les simulations ont montré que l'accélération propre maximale peut atteindre plusieurs centaines de MeV à la fois pour les énergies de collision faibles et élevées. La plus forte accélération transverse pointe toujours vers l'extérieur et se cache près du bord extérieur de la boule de feu. Pourquoi ? Parce que la pression y chute rapidement tandis que la densité d'enthalpie reste faible. Selon l'équation d'Euler relativiste, ces deux facteurs se renforcent mutuellement et augmentent l'accélération. Le bord est donc essentiellement un point chaud d'accélération, ce qui semble être un endroit à éviter.

Mais le plasma ne se comporte pas de la même manière à toutes les énergies. À des énergies plus faibles, l'arrêt nucléaire ralentit initialement les choses, produisant une décélération allant jusqu'à environ 500 MeV. Aux énergies ultrarelativistes, les noyaux se traversent si rapidement qu'ils tirent le nouveau plasma dans de brèves impulsions d'accélération intenses. Et comme l'accélération la plus forte reste le long de la frontière, peu importe que les noyaux se heurtent de front ou en biais - l'effet est similaire. Autant dire que les collisions spectaculaires, c'est fini.

L'accélération pourrait faire plus que simplement déplacer le plasma. Par l'effet Unruh, un observateur accéléré verrait l'espace vide comme un bain chaud. Une accélération de plusieurs centaines de MeV pourrait ressembler à des températures proches de la température de transition QCD. Cela signifie que l'accélération pourrait ajouter un nouvel « axe d'accélération » à la structure de phase de la matière QCD, affectant potentiellement à la fois la transition chirale et la transition de confinement des quarks. Elle pourrait également générer des effets de transport et influencer l'alignement du spin des particules, ce qui compléterait les effets de vorticité et pourrait aider à expliquer le comportement de spin étrange observé au RHIC et au LHC.

Les chercheurs prévoient d'inclure une évolution hydrodynamique plus réaliste dans leurs calculs à l'avenir. Ils espèrent également trouver des signaux expérimentaux - comme des motifs dans la polarisation de spin des hyperons - qui pourraient révéler les empreintes de l'accélération. En reliant les effets quantiques non inertiels à des comportements de particules mesurables, ces travaux ouvrent une nouvelle voie pour étudier la matière régie par l'interaction forte.

« Tout comme la température et la densité définissent le diagramme de phase de la matière, l'accélération pourrait ouvrir un nouvel axe de ce diagramme », a déclaré le professeur Huang. « En cartographiant cette dimension cachée du plasma de quarks et de gluons, nous espérons transformer les effets quantiques non inertiels en signatures que les expériences peuvent réellement mesurer. » En d'autres termes, ils transforment une curiosité théorique en quelque chose que l'on peut réellement voir dans un collisionneur, ce qui est bien plus cool que cela en a l'air.