Tracking the baryon number with nuclear collisions

महान ब्रह्मांडीय रहस्य: भारी सामान कौन उठा रहा है?

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड एक विशाल, हलचल भरा रेलवे स्टेशन है। एक सदी से अधिक समय से, भौतिक विज्ञानी यह समझने की कोशिश कर रहे हैं कि उप-परमाणु दुनिया के "यात्री" वास्तव में कैसे चलते हैं। सबसे महत्वपूर्ण यात्रियों में से एक है जिसे बैरियन नंबर (baryon number) कहा जाता है। इसे एक विशेष आईडी कार्ड की तरह समझें जो कहता है, "मैं पदार्थ का एक हिस्सा हूँ, एंटी-मैटर (anti-matter) नहीं।" इस आईडी के बिना, ब्रह्मांड पदार्थ और एंटी-मैटर के बीच एक अराजक अफरा-तफरी बन जाएगा जहाँ वे एक-दूसरे को समाप्त कर देंगे, जिससे सितारों, ग्रहों या आपके निर्माण के लिए पीछे कुछ भी नहीं बचेगा।

कण भौतिकी (particle physics) की मानक कहानी में, यह आईडी कार्ड क्वार्क्स (quarks) नामक छोटे, मौलिक कणों द्वारा ले जाया जाता है। यह ऐसा है जैसे हर यात्री अपना खुद का बैकपैक (पीठ पर बैग) लेकर चलता है। चूंकि एक प्रोटॉन (परमाणुओं की एक निर्माण इकाई) तीन क्वार्क्स से बना होता है, इसलिए प्रत्येक क्वार्क आईडी कार्ड का एक-तिहाई हिस्सा ले जाता है। लेकिन एक प्रतिद्वंद्वी सिद्धांत है, जो थोड़ा अधिक विलक्षण है, जो सुझाव देता है कि आईडी कार्ड यात्रियों द्वारा नहीं ले जाया जाता है। इसके बजाय, इसे एक अदृश्य, Y-आकार के "गोंद" जैसी संरचना द्वारा ले जाया जाता है जिसे बैरियन जंक्शन (baryon junction) कहा जाता है जो यात्रियों को जोड़ता है। यह गोंद ग्लूऑन्स (gluons) से बना है, जो वे कण हैं जो क्वार्क्स को एक साथ जोड़ने वाले सुपर-स्ट्रॉन्ग टेप के रूप में कार्य करते हैं।

यह क्यों मायने रखता है? क्योंकि यदि हम यह पता लगा सकें कि वास्तव में आईडी कार्ड कौन ले जा रहा है, तो हम अंततः समझ पाएंगे कि ब्रह्मांड अपने जन्म से कैसे बचा। यदि "बैकपैक" सिद्धांत सही है, तो यात्रियों को अपना भारी सामान अपने साथ खींचना चाहिए। यदि "गोंद" सिद्धांत सही है, तो सामान पूरी तरह से किसी दूसरे ट्रेन पर छलांग लगाने में सक्षम हो सकता है। यही वह प्रश्न है जिसका उत्तर देने के लिए वैज्ञानिकों की एक विशाल टीम, STAR कोलैबोरेशन, ने लगभग प्रकाश की गति से भारी परमाणुओं को आपस में टकराकर तय किया।

महान परमाणु टकराव (The Great Atomic Smackdown)

इस रहस्य को सुलझाने के लिए, रिलैटिविस्टिक हेवी आयन कोलाइडर (RHIC) के वैज्ञानिकों ने परमाणुओं के साथ एक उच्च-गति वाला 'टैग' (पकड़ने वाला खेल) खेलने का निर्णय लिया। उन्होंने केवल परमाणुओं को आपस में टकराया ही नहीं; बल्कि उन्होंने तीन अलग-अलग "जाल" (traps) बनाए ताकि यह देख सकें कि जब चीजें अराजक होती हैं, तो बैरियन नंबर (आईडी कार्ड) कैसा व्यवहार करता है।

पहला जाल: भूतिया फोटॉन (The Ghost Photon)
सबसे पहले, उन्होंने एक बहुत ही विशिष्ट प्रकार के टकराव को देखा जिसे फोटॉन-गोल्ड इंटरेक्शन कहा जाता है। कल्पना कीजिए कि एक सोने (gold) का परमाणु पास से गुजर रहा है, और एक छोटा, अदृश्य "भूतिया" फोटॉन (प्रकाश का एक कण) उससे टकराता है। फोटॉन का कोई बैरियन नंबर नहीं होता—यह एक खाली स्लेट की तरह है। जब यह सोने के परमाणु से टकराता है, तो यह चीजों को इधर-उधर उछाल देता है। यदि आईडी कार्ड क्वार्क्स (बैकपैक) द्वारा ले जाया जाता है, तो आईडी भारी सोने के नाभिक (nucleus) से चिपकी रहेगी और मुश्किल से हिलेगी। लेकिन यदि आईडी उस Y-आकार के गोंद (जंक्शन) द्वारा ले जाई जाती है, तो वह गोंद हल्का और तेज होता है। वह सीधे टकराव क्षेत्र के बीच में जा सकता है, जिससे भारी सोने का नाभिक पीछे छूट जाए।

वैज्ञानिकों ने मापा कि टकराव के बीच में कितने प्रोटॉन (जो आईडी ले जाते हैं) दिखाई दिए। उन्हें बहुत सारे मिले! डेटा ने दिखाया कि बैरियन नंबर "बैकपैक" सिद्धांत की तुलना में बहुत दूर और बहुत तेजी से यात्रा करता है। वास्तव में, माप संगत (consistent) थे "गोंद" सिद्धांत के साथ, जो व्यवहार की एक विशिष्ट सीमा की भविष्यवाणी करता है, जिससे पता चलता है कि आईडी कार्ड वास्तव में एक तेज गति वाले गोंद वाले ट्रेन पर सवार हो सकता है।

दूसरा जाल: आइसोबार प्रतिद्वंद्विता (The Isobre Rivalry)
इसके बाद, टीम ने दो बहुत समान परमाणुओं के बीच आमने-सामने की दौड़ आयोजित की: रुथेनियम (Ruthenium - Ru) और ज़िरकोनियम (Zirconium - Zr)। ये "आइसोबार" हैं, जिसका अर्थ है कि इनका कुल वजन (96 यूनिट) समान है लेकिन विद्युत आवेश (electric charge) अलग-अलग है (रुथेनियम में 44 प्रोटॉन हैं, ज़िरकोनियम में 40 हैं)। उन्होंने इन परमाणुओं को दो अलग-अलग संयोजनों में टकराया: Ru+Ru और Zr+Zr।

यदि आईडी कार्ड विद्युत आवेश (जैसे एक ऐसा बैकपैक जो केवल एक विशिष्ट व्यक्ति पर फिट बैठता है) से बंधा हुआ है, तो टकराव के बीच जाने वाला आईडी कार्ड की मात्रा, दोनों परमाणुओं के बीच विद्युत आवेश के अंतर के ठीक समानुपाती होनी चाहिए। लेकिन यदि आईडी कार्ड तटस्थ (neutral) गोंद द्वारा ले जाया जाता है, तो उसे विद्युत आवेश की परवाह नहीं होती। वह स्वतंत्र रूप से घूम सकता है, चाहे परमाणु रुथेनियम हो या ज़िरकोनियम।

परिणाम चौंकाने वाले थे। वैज्ञानिकों ने पाया कि टकराव के केंद्र में जाने वाले बैरियन नंबर की मात्रा उस अपेक्षा से 1.84 गुना अधिक थी, जो तब होती यदि यह विद्युत आवेश से जुड़ा होता। यह ऐसा था जैसे गोंद सामान को इतनी कुशलता से ले जा रहा था कि उसने बैकपैक सिद्धांत के नियमों को पूरी तरह से अनदेखा कर दिया। "बैकपैक" विचार यह समझाने में पूरी तरह असमर्थ था कि इतना सारा पदार्थ टकराव के बीच में कैसे पहुँच गया।

तीसरा जाल: गति परीक्षण (The Speed Test)
अंत में, उन्होंने देखा कि बैरियन नंबर विभिन्न गतियों (rapidity) पर कैसे चलता है। उन्होंने पाया कि जैसे-जैसे आप केंद्र से दूर जाते हैं, टकराव के बीच प्रोटॉन की संख्या एक बहुत ही विशिष्ट तरीके से कम होती जाती है। यह गिरावट दर "गोंद" सिद्धांत की भविष्यवाणियों से मेल खाती है लेकिन "बैकप melalui" सिद्धांत के लिए पूरी तरह से गलत थी। बैकपैक को भारी और धीमा होना चाहिए था, लेकिन डेटा ने दिखाया कि बैरियन नंबर गोंद की फुर्ती के साथ चल रहा था।

फैसला (The Verdict)

इन विशाल प्रयोगों को चलाने और आंकड़ों की गणना करने के बाद, STAR कोलैबोरेशन का एक स्पष्ट संदेश है: डेटा द्वारा क्वार्क्स द्वारा बैरियन नंबर ले जाने के पुराने विचार को खारिज किया गया है।

परिणाम "बैकपैक" सिद्धांत को विश्वास करने के लिए बहुत कठिन बनाते हैं। इसके बजाय, डेटा दिखाता है कि बैरियन जंक्शन ढांचा—उस रहस्यमय, Y-आकार के गोंद वाला सिद्धांत जो ग्लूऑन्स से बना है—सभी देखे गए घटनाओं के साथ गुणात्मक रूप से सुसंगत (qualitatively consistent) बना हुआ है। हालांकि वैज्ञानिक नोट करते हैं कि डेटा निश्चित रूप से यह साबित नहीं करता कि जंक्शन ही वाहक है (अन्य संभावनाओं को पूरी तरह से खारिज नहीं करता), लेकिन उनके द्वारा एकत्र किए गए साक्ष्य "बैकपैक" सिद्धांत को अत्यधिक असंभावित बनाते हैं।

यह कुछ ऐसा है जैसे यह महसूस करना कि एक भीड़ भरे स्टेडियम में, लोग भारी बैनर नहीं ले जा रहे हैं; इसके बजाय, बैनर अदृश्य ड्रोन द्वारा उड़ाए जा रहे हैं जो लोगों के चलने की तुलना में बहुत तेजी से भीड़ के बीच से गुजर सकते हैं। यह खोज न केवल यह बदल देती है कि हम एक प्रोटॉन को कैसे देखते हैं; यह हमें उन मौलिक नियमों को समझने में मदद करती है जिन्होंने हमारे ब्रह्मांड को प्रकाश और पदार्थ की एक चमक में गायब होने से बचाया। गोंद, प्रतीत होता है, इस कहानी का सबसे संभावित नायक है, भले ही रहस्य अभी पूरी तरह से सुलझा नहीं है।