Wenn zwei Atomkerne mit nahezu Lichtgeschwindigkeit kollidieren, schmelzen sie zu einem Quark-Gluon-Plasma — einer nahezu perfekten Flüssigkeit, heißer als alles andere in der Natur, in der Quarks und Gluonen frei umherwandern. Physiker haben die enorme Vortizität und die elektromagnetischen Felder des Plasmas seit Jahren untersucht, doch eine seiner grundlegendsten Eigenschaften blieb weitgehend unerforscht: die Beschleunigung — genau die Kraft hinter seiner explosiven Expansion.
Ein Team um Yu-Gang Ma und Xu-Guang Huang von der Fudan-Universität hat nun die erste systematische Karte dieser Beschleunigung erstellt. Durch die Kombination zweier etablierter Transportmodelle mit einer Glättungstechnik, die diskrete Teilchenverteilungen in kontinuierliche Geschwindigkeitsfelder überführt, verfolgten sie, wie sich Beschleunigung bei Kollisionsenergien von 3,5 GeV bis 2,76 TeV aufbaut. Die in Nuclear Science and Techniques veröffentlichten Ergebnisse zeigen maximale Eigenbeschleunigungen von mehreren hundert MeV — unter den stärksten jemals auf der Erde erzeugten.
Die Simulationen zeigen, dass die transversale Beschleunigung immer nach außen zeigt und am Rand des Feuerballs am stärksten ist, wo der Druck steil abfällt und die Enthalpiedichte niedrig ist. Bei niedrigen Kollisionsenergien erzeugt das nukleare Stoppen eine frühe Verzögerung von bis zu etwa 500 MeV, während bei ultrarelativistischen Energien die schnell vorbeiziehenden Kerne das frisch geborene Plasma in scharfe Beschleunigungsimpulse reißen. Da sich die extreme Beschleunigung immer am Rand konzentriert, hängt das Gesamtmuster nur schwach davon ab, wie frontal die Kollision ist.
Der Befund könnte tiefgreifende Bedeutung haben. Über den Unruh-Effekt — bei dem ein beschleunigter Beobachter das Vakuum als warmes Bad wahrnimmt — könnte eine Beschleunigung von einigen hundert MeV Temperaturen nachahmen, die mit der Quark-Hadron-Übergangstemperatur vergleichbar sind. Das legt nahe, dass Beschleunigung die Phasenstruktur stark wechselwirkender Materie entlang einer neuen "Beschleunigungsachse" umformen, die chiralen und Deconfinement-Übergänge beeinflussen, neuartige Transportphänomene antreiben und Teilchenspins auf eine Weise polarisieren könnte, die langjährige Spin-Rätsel an RHIC und LHC erklären hilft.
"So wie Temperatur und Dichte das Phasendiagramm der Materie definieren, könnte Beschleunigung eine neue Achse dieses Diagramms eröffnen", sagte Professor Huang. Das Team plant nun, realistische hydrodynamische Entwicklung einzubeziehen und experimentelle Observablen — etwa Hyperon-Spin-Polarisationsmuster — zu identifizieren, um den verborgenen Motor der heißesten Flüssigkeit auf die Probe zu stellen.
