Когда атомные ядра сталкиваются друг с другом почти со скоростью света, они на короткое время создают кварк-глюонную плазму — абсурдно горячее состояние материи, в котором кварки и глюоны свободно блуждают. Эта штука ведет себя как почти идеальная жидкость и позволяет ученым заглянуть в условия, похожие на те, что были сразу после Большого взрыва. Исследователи потратили немало времени, разглядывая драматическое завихрение плазмы и ее мощные электромагнитные поля, но на ее ускорение? Едва взглянули. Это обидно, потому что именно ускорение заставляет огненный шар так быстро расширяться — в гидродинамике оно так же фундаментально, как завихренность, подобно тому как электрическое и магнитное поля одинаково важны для электромагнетизма.

Команда под руководством физиков из Фуданьского университета Ю-Гана Ма и Сю-Гуана Хуана решила составить карту того, как ускорение формируется и меняется внутри этой плазмы. Они объединили две популярные модели переноса частиц, AMPT и UrQMD, с методом гауссова размытия. Этот трюк превращает индивидуальные распределения частиц в непрерывные поля энергии, импульса и скорости, позволяя рассматривать плазму как движущуюся жидкость. Затем они отслеживали ускорение при энергиях столкновения от 3,5 ГэВ до 2,76 ТэВ.

«Ускорение — это не просто кинематическая деталь; оно может действовать как термодинамический параметр управления КХД-материей», — сказал профессор Хуан, вероятно, поправляя очки.

Моделирование показало, что пиковое собственное ускорение может достигать нескольких сотен МэВ как при низких, так и при высоких энергиях столкновения. Самое сильное поперечное ускорение всегда направлено наружу и таится у внешнего края огненного шара. Почему? Потому что давление там быстро падает, а плотность энтальпии остается низкой. Согласно релятивистскому уравнению Эйлера, эти два фактора усиливают друг друга и повышают ускорение. Так что край — это, по сути, горячая точка ускорения, что звучит как отличное место, которого стоит избегать.

Но плазма ведет себя не одинаково при всех энергиях. При более низких энергиях ядерное торможение сначала замедляет движение, создавая замедление до примерно 500 МэВ. При ультрарелятивистских энергиях ядра проскакивают друг сквозь друга так быстро, что втягивают новую плазму в короткие интенсивные импульсы ускорения. И поскольку самое сильное ускорение остается вдоль границы, не имеет большого значения, сталкиваются ли ядра лоб в лоб или под углом — эффект аналогичен. Так что насчет драматических столкновений — забудьте.

Ускорение может делать больше, чем просто перемещать плазму. Согласно эффекту Унру, ускоряющийся наблюдатель увидел бы пустое пространство как теплую ванну. Ускорение в несколько сотен МэВ может соответствовать температурам, близким к температуре КХД-перехода. Это означает, что ускорение может добавить новую «ось ускорения» в фазовую структуру КХД-материи, потенциально влияя как на киральный переход, так и на переход конфайнмента кварков. Оно также может порождать транспортные эффекты и влиять на выстраивание спинов частиц, что дополнило бы эффекты завихренности и могло бы помочь объяснить странное спиновое поведение, наблюдаемое на RHIC и БАК.

Исследователи планируют включить в свои расчеты более реалистичную гидродинамическую эволюцию. Они также надеются найти экспериментальные сигналы — например, закономерности в спиновой поляризации гиперонов, — которые могли бы выявить отпечатки ускорения. Связывая неинерциальные квантовые эффекты с измеримым поведением частиц, эта работа открывает новый путь для изучения материи, управляемой сильным взаимодействием.

«Подобно тому, как температура и плотность определяют фазовую диаграмму вещества, ускорение может открыть новую ось этой диаграммы», — сказал профессор Хуан. «Картируя это скрытое измерение кварк-глюонной плазмы, мы надеемся превратить неинерциальные квантовые эффекты в сигнатуры, которые эксперименты смогут реально измерить». Другими словами, они превращают теоретический курьез в то, что можно реально увидеть на коллайдере, что гораздо круче, чем звучит.