När atomkärnor kolliderar med varandra i nästan ljusets hastighet skapar de kortvarigt kvark-gluonplasma, ett absurt hett materietillstånd där kvarkar och gluoner rör sig fritt. Detta material beter sig som en nästan perfekt vätska och låter forskare få en glimt av förhållanden som liknar dem strax efter Big Bang. Forskare har ägnat mycket tid åt att stirra på plasmats dramatiska virvlar och dess kraftfulla elektromagnetiska fält, men dess acceleration? Knappt en blick. Det är synd, för acceleration är det som får eldklotet att expandera så snabbt – inom hydrodynamik är den lika grundläggande som vorticitet, precis som elektriska och magnetiska fält båda är väsentliga för elektromagnetism.

Ett team lett av fysikerna Yu-Gang Ma och Xu-Guang Huang vid Fudan University bestämde sig för att kartlägga hur acceleration bildas och förändras inuti detta plasma. De kombinerade två populära partikeltransportmodeller, AMPT och UrQMD, med en gaussisk utjämningsmetod. Detta trick omvandlar individuella partikelfördelningar till kontinuerliga energi-, rörelsemängds- och hastighetsfält, vilket gör att de kan behandla plasmat som en vätska i rörelse. De spårade sedan accelerationen över kollisionsenergier från 3,5 GeV ända upp till 2,76 TeV.

”Acceleration är inte bara en kinematisk detalj – den kan fungera som en termodynamisk kontrollparameter för QCD-materia”, sade professor Huang, förmodligen medan han justerade sina glasögon.

Simuleringarna visade att maximal egenacceleration kan nå flera hundra MeV vid både låga och höga kollisionsenergier. Den starkaste transversella accelerationen pekar alltid utåt och lurar nära eldklotets yttre kant. Varför? För att trycket sjunker snabbt där medan entalpidensiteten förblir låg. Enligt den relativistiska Euler-ekvationen förstärker dessa två faktorer varandra och ökar accelerationen. Så kanten är i princip en accelerations hotspot, vilket låter som ett utmärkt ställe att undvika.

Men plasmat beter sig inte likadant vid alla energier. Vid lägre energier bromsar nukleär stoppning initialt saker och ting, vilket producerar retardation på upp till cirka 500 MeV. Vid ultrarelativistiska energier susar kärnorna igenom varandra så snabbt att de drar med sig det nya plasmat i korta, intensiva accelerationspulser. Och eftersom den starkaste accelerationen förblir längs gränsen spelar det inte så stor roll om kärnorna träffas rakt på eller i en vinkel – effekten är liknande. Så mycket för dramatiska kollisioner.

Acceleration kan göra mer än att bara flytta runt plasmat. Genom Unruh-effekten skulle en accelererande observatör se det tomma rummet som ett varmt bad. En acceleration på flera hundra MeV skulle kunna likna temperaturer nära QCD-övergångstemperaturen. Det betyder att acceleration skulle kunna lägga till en ny ”accelerationsaxel” till fasstrukturen hos QCD-materia, vilket potentiellt påverkar både den kirala övergången och kvarkinneslutningsövergången. Det skulle också kunna generera transporteffekter och påverka partikelspinnjustering, vilket skulle komplettera vorticitetseffekter och kanske hjälpa till att förklara konstigt spinnbeteende som observerats vid RHIC och LHC.

Forskarna planerar att inkludera mer realistisk hydrodynamisk evolution i sina beräkningar nästa gång. De hoppas också hitta experimentella signaler – som mönster i hyperon-spinnpolarisering – som skulle kunna avslöja accelerationens fingeravtryck. Genom att koppla icke-tröghetseffekter inom kvantmekaniken till mätbara partikelegenskaper öppnar detta arbete en ny väg för att studera materia som styrs av den starka växelverkan.

”Precis som temperatur och densitet definierar fasdiagrammet för materia, kan acceleration öppna en ny axel i det diagrammet”, sade professor Huang. ”Genom att kartlägga denna dolda dimension av kvark-gluonplasmat hoppas vi kunna omvandla icke-tröghetseffekter inom kvantmekaniken till signaturer som experiment faktiskt kan mäta.” Med andra ord, de förvandlar en teoretisk kuriositet till något du faktiskt kan se i en kolliderare, vilket är mycket coolare än det låter.