Ученые раскрыли скрытую силу, движущую самой горячей жидкостью Вселенной

Два лоренц-сжатых ядра (слева и справа) сталкиваются и порождают огненный шар, который стремительно расширяется. Кредит: Xu-Guang Huang

Когда атомные ядра сталкиваются друг с другом почти со скоростью света, они на краткий миг создают кварк-глюонную плазму — необычайно горячее состояние материи, в котором кварки и глюоны могут свободно двигаться. Этот экзотический материал ведет себя как почти идеальная жидкость и дает ученым возможность изучать условия, подобные тем, что существовали вскоре после Большого взрыва.

Исследователи уделяли значительное внимание интенсивному вихревому движению плазмы и ее мощным электромагнитным полям. Однако ее ускорению уделялось гораздо меньше внимания, хотя оно напрямую способствует быстрому расширению огненного шара. В гидродинамике ускорение считается столь же фундаментальным, как и завихренность, подобно тому как электрическое и магнитное поля рассматриваются как равноправные части электромагнетизма.

Картирование ускорения в зависимости от энергии столкновения

Исследовательская группа под руководством физиков из Фуданьского университета Ю-Ган Ма и Сю-Гуан Хуан поставила перед собой задачу составить карту того, как ускорение формируется и изменяется внутри кварк-глюонной плазмы.

Исследователи объединили две широко используемые модели переноса частиц, AMPT и UrQMD, с методом гауссова размытия. Этот метод преобразовал индивидуальные распределения частиц в непрерывные поля энергии, импульса и скорости, что позволило команде изучать плазму как эволюционирующую жидкость.

Используя этот подход, они отслеживали ускорение в диапазоне энергий столкновения от 3,5 ГэВ до 2,76 ТэВ.

«Ускорение — это не просто кинематическая деталь: оно может действовать как термодинамический управляющий параметр кварк-глюонной материи», — объясняет профессор Хуан.

Экстремальное ускорение на краю огненного шара

Моделирование показало, что пиковое собственное ускорение может достигать нескольких сотен МэВ как при низких, так и при высоких энергиях столкновения. Наиболее сильное поперечное ускорение постоянно направлено наружу и появляется вблизи внешней границы огненного шара.

Этот край становится горячей точкой ускорения, потому что давление там быстро падает, а плотность энтальпии остается низкой. Согласно релятивистскому уравнению Эйлера, эти два условия усиливают друг друга и значительно увеличивают ускорение.

Плазма ведет себя по-разному в зависимости от энергии столкновения. При более низких энергиях ядерное торможение изначально замедляет материю, вызывая замедление до ~500 МэВ. При ультрарелятивистских энергиях ядра проходят друг сквозь друга так быстро, что втягивают новообразованную плазму в короткие интенсивные импульсы ускорения.

Поскольку наиболее мощное ускорение остается сосредоточенным вдоль границы, общий эффект лишь незначительно меняется в зависимости от того, сталкиваются ли ядра напрямую или под углом.

Возможный новый контроль над экстремальной материей

Ускорение может влиять не только на движение плазмы. Благодаря эффекту Унру ускоряющийся наблюдатель воспринимал бы пустое пространство как термическую среду. Ускорение в несколько сотен МэВ могло бы соответствовать температурам, близким к температуре фазового перехода КХД.

Эта возможность предполагает, что ускорение может добавить новую «ось ускорения» в фазовую структуру кварк-глюонной материи. Оно может влиять как на киральный переход, так и на переход, связанный с конфайнментом кварков.

Ускорение также может порождать ранее не исследованные транспортные эффекты и влиять на выстраивание спинов частиц. Эти эффекты дополнили бы эффекты, создаваемые завихренностью, и могли бы помочь исследователям изучить нерешенные вопросы поведения спинов, наблюдаемые на RHIC и БАК.

Поиск измеримых сигналов на коллайдерах

Теперь исследователи планируют включить в свои расчеты более реалистичную гидродинамическую эволюцию. Они также надеются выявить экспериментальные сигналы, которые могли бы раскрыть влияние ускорения, включая закономерности в спиновой поляризации гиперонов.

Связывая неинерциальные квантовые эффекты с измеримым поведением частиц, эта работа открывает новое направление для изучения материи, управляемой сильным взаимодействием.

«Подобно тому, как температура и плотность определяют фазовую диаграмму материи, ускорение может открыть новую ось этой диаграммы. Составив карту этого скрытого измерения кварк-глюонной плазмы, мы надеемся превратить неинерциальные квантовые эффекты в сигнатуры, которые эксперименты смогут реально измерить», — заявил профессор Хуан.

Источники:

Материалы предоставлены Nuclear Science and Techniques.

Song-Ze Zhong, Xian-Gai Deng, Xu-Guang Huang, Yu-Gang Ma. Fluid acceleration in heavy-ion collisions. Nuclear Science and Techniques, 2026; 37 (10) DOI: 10.1007/s41365-026-02044-8