Gdy jądra atomowe zderzają się ze sobą z prędkością bliską prędkości światła, na krótko tworzą plazmę kwarkowo-gluonową, absurdalnie gorący stan materii, w którym kwarki i gluony poruszają się swobodnie. Ta substancja zachowuje się jak niemal idealny płyn i pozwala naukowcom zajrzeć w warunki podobne do tych tuż po Wielkim Wybuchu. Naukowcy spędzili mnóstwo czasu, przyglądając się dramatycznym wirującym ruchom plazmy i jej potężnym polom elektromagnetycznym, ale jej przyspieszeniu? Ledwie rzucili okiem. To szkoda, bo przyspieszenie jest tym, co sprawia, że kula ognia rozszerza się tak szybko - w hydrodynamice jest tak samo fundamentalne jak wirowość, podobnie jak pola elektryczne i magnetyczne są niezbędne w elektromagnetyzmie.

Zespół kierowany przez fizyków z Uniwersytetu Fudan, Yu-Gang Ma i Xu-Guang Huang, postanowił zmapować, jak przyspieszenie powstaje i zmienia się wewnątrz tej plazmy. Połączyli dwa popularne modele transportu cząstek, AMPT i UrQMD, z metodą rozmycia Gaussa. Ta sztuczka zamienia indywidualne rozkłady cząstek w ciągłe pola energii, pędu i prędkości, co pozwala im traktować plazmę jako płyn w ruchu. Następnie śledzili przyspieszenie dla energii zderzeń od 3,5 GeV aż do 2,76 TeV.

„Przyspieszenie to nie tylko kinematyczny szczegół – może działać jako termodynamiczny parametr kontrolny materii QCD” – powiedział profesor Huang, prawdopodobnie poprawiając okulary.

Symulacje wykazały, że szczytowe właściwe przyspieszenie może osiągać kilkaset MeV zarówno przy niskich, jak i wysokich energiach zderzeń. Najsilniejsze przyspieszenie poprzeczne zawsze skierowane jest na zewnątrz i czai się w pobliżu zewnętrznej krawędzi kuli ognia. Dlaczego? Ponieważ ciśnienie spada tam szybko, podczas gdy entalpia właściwa pozostaje niska. Zgodnie z relatywistycznym równaniem Eulera te dwa czynniki wzajemnie się wzmacniają i zwiększają przyspieszenie. Tak więc krawędź jest w zasadzie punktem zapalnym przyspieszenia, co brzmi jak świetne miejsce do unikania.

Ale plazma nie zachowuje się tak samo przy wszystkich energiach. Przy niższych energiach zatrzymanie jądrowe początkowo spowalnia ruch, powodując opóźnienie do około 500 MeV. Przy ultrarelatywistycznych energiach jądra przelatują przez siebie tak szybko, że wciągają nową plazmę w krótkie, intensywne impulsy przyspieszenia. A ponieważ najsilniejsze przyspieszenie pozostaje wzdłuż granicy, nie ma większego znaczenia, czy jądra zderzą się czołowo, czy pod kątem – efekt jest podobny. Tak więc koniec z dramatycznymi zderzeniami.

Przyspieszenie może robić więcej niż tylko poruszać plazmą. Dzięki efektowi Unruha przyspieszający obserwator widziałby pustą przestrzeń jako ciepłą kąpiel. Przyspieszenie rzędu kilkuset MeV mogłoby przypominać temperatury bliskie temperaturze przejścia QCD. To oznacza, że przyspieszenie mogłoby dodać nową „oś przyspieszenia” do struktury fazowej materii QCD, potencjalnie wpływając zarówno na przejście chiralne, jak i na przejście do uwięzienia kwarków. Może również generować efekty transportowe i wpływać na wyrównanie spinów cząstek, co uzupełniałoby efekty wirowości i mogłoby pomóc wyjaśnić dziwne zachowanie spinów obserwowane w RHIC i LHC.

Naukowcy planują włączyć do swoich obliczeń bardziej realistyczną ewolucję hydrodynamiczną. Mają też nadzieję znaleźć sygnały eksperymentalne – takie jak wzorce w polaryzacji spinowej hiperonów – które mogłyby ujawnić odciski palców przyspieszenia. Łącząc nieinercjalne efekty kwantowe z mierzalnym zachowaniem cząstek, ta praca otwiera nową ścieżkę do badania materii rządzonej przez silne oddziaływania.

„Tak jak temperatura i gęstość definiują diagram fazowy materii, przyspieszenie może otworzyć nową oś tego diagramu” – powiedział profesor Huang. „Mapując ten ukryty wymiar plazmy kwarkowo-gluonowej, mamy nadzieję zamienić nieinercjalne efekty kwantowe w sygnatury, które eksperymenty mogą faktycznie zmierzyć”. Innymi słowy, zamieniają teoretyczną ciekawostkę w coś, co można faktycznie zobaczyć w akceleratorze, co jest o wiele fajniejsze, niż brzmi.