781
Під час зіткнення атомних ядер майже зі швидкістю світла їхня внутрішня речовина на мить перетворюється на кварк-глюонну плазму – надгарячу рідину, у якій кварки та глюони рухаються вільно. Нове моделювання показало, що всередині такого «ядерного вогняного шару» виникають одні з найсильніших прискорень, які будь-коли відтворювалися на Землі. Про це йдеться в матеріалі SciTechDaily.
Раніше фізики детально вивчали обертання плазми та її потужні електромагнітні поля. Натомість прискорення, яке штовхає цю речовину назовні й визначає швидке розширення вогняного шару, залишалося майже поза увагою, хоча в гідродинаміці воно таке ж фундаментальне, як і вихровість.
Як моделювали народження вогняного шару
Фізики Ю-Ґан Ма (Yu-Gang Ma) та Сюй-Ґуанг Хуан (Xu-Guang Huang) з Фуданьського університету поєднали два відомі транспортні моделі частинок – AMPT та UrQMD – з математичною процедурою, яку називають гаусівським згладжуванням. Вона перетворює окремі точки розташування частинок на безперервні карти енергії, імпульсу та швидкості рідини.
Використовуючи ці карти, дослідники простежили, як формується та змінюється прискорення в широкому діапазоні енергій зіткнень – від 3,5 ГеВ до 2,76 ТеВ. За словами професора Хуана, прискорення – це не просто кінематична деталь, а потенційний «термодинамічний керуючий параметр» для матерії квантової хромодинаміки (QCD).
Моделювання показало, що власне прискорення, тобто прискорення, виміряне разом із рухомою рідиною, може досягати кількох сотень МеВ як на нижньому, так і на верхньому кінцях енергетичного діапазону. Вектор прискорення в усьому вогняному шарі стабільно спрямований назовні й досягає максимуму поблизу його межі.
Чому край вогняного шару прискорюється найсильніше
На периферії вогняного шару тиск різко падає, тоді як ентальпійна густина – величина, пов’язана із загальною енергією рідини, – залишається низькою. Згідно з релятивістським рівнянням Ейлера, поєднання крутого градієнта тиску та малої ентальпійної густини підсилює прискорення одразу двома способами.
Поперечне прискорення завжди спрямоване назовні й найбільше саме на периферійному кордоні вогняного шару, де градієнт тиску найкрутіший, а ентальпійна густина – найменша. Такий «крайовий» ефект зберігається навіть на ранніх стадіях еволюції плазми та за низьких енергій зіткнень і саме він штовхає розвиток спостережуваного радіального потоку частинок.
Поздовжнє прискорення виявилося набагато чутливішим до енергії. За нижчих енергій сильне гальмування ядер (nuclear stopping) призводить до раннього інтенсивного уповільнення – до приблизно 500 МеВ. Натомість за ультрарелятивістських енергій ядра швидко пролітають крізь одне одного й через натяг «струн» (string tension) різко тягнуть новостворену плазму, породжуючи короткі, але дуже сильні імпульси прискорення, перш ніж домінувати починає поперечне розширення.
Найбільші значення прискорення все одно концентруються біля зовнішньої межі вогняного шару. Через таку локалізацію загальна сила ефекту мало залежить від геометрії зіткнення – зокрема від того, чи ядра влучають одне в одне центрально, чи зі зміщенням.
Нова «вісь» у фазовій діаграмі QCD?
Отримані результати можуть мати наслідки, що виходять далеко за межі опису руху плазми. Згідно з ефектом Унру (Unruh effect), спостерігач, який рівномірно прискорюється, сприймає вакуум як середовище з певною температурою. Прискорення порядку кількох сотень МеВ може відповідати «уявній» температурі, близькій до температури фазового переходу в квантовій хромодинаміці – теорії сильних взаємодій.
Це відкриває можливість, що прискорення додає новий вимір до фазової структури QCD-матерії. Уздовж такої умовної «осі прискорення» ефект може впливати на хіральні та деконфайнментні переходи – процеси, які визначають поведінку кварків і те, чи залишаються вони замкненими всередині більших частинок.
Прискорення також здатне породжувати незвичні транспортні ефекти та змінювати спін частинок у спосіб, що доповнює вплив вихровості. Такі явища можуть допомогти пояснити незрозумілі досі спінові закономірності, виміряні на колайдерах RHIC та LHC.
Наступні кроки: від моделі до експерименту
Далі команда планує додати до своїх моделей більш реалістичну гідродинамічну еволюцію та шукати спостережувані сигнали, зокрема специфічні патерни в спіновій поляризації гіперонів. Такі вимірювання можуть показати, чи справді передбачені екстремальні прискорення виникають у реальних зіткненнях важких іонів.
Автори роботи порівнюють роль прискорення з роллю температури та густини, які задають фазову діаграму матерії. Якщо вдасться «нанести на карту» цю приховану вісь кварк-глюонної плазми, неінерційні квантові ефекти можуть перетворитися на конкретні сигнатури, доступні для експериментальної перевірки.
Моделювання виявило екстремальне прискорення в ядерному вогняному шарі з’явилася спочатку на Цікавості.
