Wanneer atoomkernen met bijna de lichtsnelheid op elkaar botsen, creëren ze kortstondig quark-gluonplasma, een absurd hete toestand van materie waarin quarks en gluonen vrij rondzwerven. Dit spul gedraagt zich als een bijna perfecte vloeistof en laat wetenschappers een kijkje nemen in omstandigheden die lijken op die vlak na de oerknal. Onderzoekers hebben heel wat tijd besteed aan het bestuderen van het dramatische wervelen van het plasma en zijn krachtige elektromagnetische velden, maar de versnelling ervan? Nauwelijks een blik waardig. Dat is jammer, want versnelling is wat het vuurballetje zo snel laat uitzetten - in de hydrodynamica is het net zo fundamenteel als vorticiteit, net zoals elektrische en magnetische velden beide essentieel zijn voor elektromagnetisme.

Een team onder leiding van natuurkundigen Yu-Gang Ma en Xu-Guang Huang van de Fudan Universiteit besloot in kaart te brengen hoe versnelling ontstaat en verandert in dit plasma. Ze combineerden twee populaire deeltjestransportmodellen, AMPT en UrQMD, met een Gaussische uitstrijkingsmethode. Deze truc zet individuele deeltjesverdelingen om in continue energie-, impuls- en snelheidsvelden, waardoor ze het plasma als een vloeistof in beweging kunnen behandelen. Vervolgens volgden ze de versnelling bij botsingsenergieën van 3,5 GeV tot maar liefst 2,76 TeV.

"Versnelling is niet slechts een kinematisch detail - het zou kunnen fungeren als een thermodynamische controlepameter van QCD-materie," zei professor Huang, vermoedelijk terwijl hij zijn bril rechtzette.

De simulaties toonden aan dat de piek-eigenversnelling enkele honderden MeV kan bereiken bij zowel lage als hoge botsingsenergieën. De sterkste transversale versnelling wijst altijd naar buiten en bevindt zich in de buurt van de buitenrand van het vuurballetje. Waarom? Omdat de druk daar snel daalt terwijl de enthalpiedichtheid laag blijft. Volgens de relativistische Euler-vergelijking versterken deze twee factoren elkaar en drijven ze de versnelling op. Dus de rand is eigenlijk een versnellingshotspot, wat klinkt als een geweldige plek om te vermijden.

Maar het plasma gedraagt zich niet hetzelfde bij alle energieën. Bij lagere energieën vertraagt nucleaire stopzetting de zaak aanvankelijk, wat een vertraging oplevert van tot ongeveer 500 MeV. Bij ultrarelativistische energieën schieten de kernen zo snel door elkaar heen dat ze het nieuwe plasma in korte, intense versnellingspulsen trekken. En omdat de sterkste versnelling langs de grens blijft, maakt het niet veel uit of de kernen frontaal of onder een hoek botsen - het effect is vergelijkbaar. Dus niets van die dramatische botsingen.

Versnelling zou meer kunnen doen dan alleen het plasma verplaatsen. Door het Unruh-effect zou een versnellende waarnemer de lege ruimte als een warm bad zien. Een versnelling van enkele honderden MeV zou kunnen lijken op temperaturen nabij de QCD-overgangstemperatuur. Dat betekent dat versnelling een nieuwe "versnellingsas" zou kunnen toevoegen aan de fasestructuur van QCD-materie, wat mogelijk zowel de chirale overgang als de quarkopsluitingsovergang beïnvloedt. Het zou ook transporte effecten kunnen genereren en de spin-uitlijning van deeltjes kunnen beïnvloeden, wat vorticiteitseffecten zou aanvullen en misschien zou kunnen helpen bij het verklaren van vreemd spin-gedrag dat bij RHIC en de LHC is waargenomen.

De onderzoekers zijn van plan om in hun berekeningen meer realistische hydrodynamische evolutie op te nemen. Ze hopen ook experimentele signalen te vinden - zoals patronen in hyperon-spinpolarisatie - die de vingerafdrukken van versnelling zouden kunnen onthullen. Door niet-inertiale kwantumeffecten te verbinden met meetbaar deeltjesgedrag, opent dit werk een nieuw pad voor het bestuderen van materie die wordt beheerst door de sterke wisselwerking.

"Net zoals temperatuur en dichtheid het fasediagram van materie definiëren, zou versnelling een nieuwe as van dat diagram kunnen openen," zei professor Huang. "Door deze verborgen dimensie van het quark-gluonplasma in kaart te brengen, hopen we niet-inertiale kwantumeffecten om te zetten in handtekeningen die experimenten daadwerkelijk kunnen meten." Met andere woorden, ze veranderen een theoretische nieuwsgierigheid in iets dat je daadwerkelijk kunt zien bij een botsingsmachine, wat veel cooler is dan het klinkt.