Nonlinear Breit-Wheeler pair production using polarized photons from inverse Compton scattering

कल्पना कीजिए कि आप शून्य से कुछ बनाने की कोशिश कर रहे हैं। भौतिकी की दुनिया में, विशेष रूप से क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स (QED) नामक एक क्षेत्र में, एक प्रसिद्ध नियम है: यदि आप पर्याप्त ऊर्जा को आपस में टकराते हैं, तो आप शुद्ध प्रकाश को पदार्थ (विशेष रूप से एक इलेक्ट्रॉन और उसके प्रति-पदार्थ जुड़वां, एक पॉज़िट्रॉन) में बदल सकते हैं। इसे ब्रेट-व्हीलर प्रक्रिया (Breit-Wheeler process) कहा जाता है।

द दशकों से, वैज्ञानिक लैब में ऐसा करने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन यह अविश्वसनीय रूप से कठिन है। यह दो लकड़ियों को आपस में रगड़कर आग जलाने की कोशिश करने जैसा है, लेकिन यहाँ लकड़ियाँ प्रकाश की बनी हैं और घर्षण के लिए उस स्तर की ऊर्जा की आवश्यकता होती है जो आमतौर पर केवल सबसे हिंसक ब्रह्मांडीय घटनाओं में पाई जाती है।

यह शोध पत्र अंततः इसे उच्च सटीकता के साथ करने के लिए एक चतुर, दो-चरणीय "नुस्खा" प्रस्तावित करता है, जिसमें उन उपकरणों का उपयोग किया गया है जो हमारे पास पहले से मौजूद हैं या जिन्हें हम अभी बना रहे हैं।

दो-चरणीय नुस्खा

प्रयोग को एक रिले रेस की तरह समझें जिसमें दो अलग-अलग चरण हैं।

चरण 1: "गोली" बनाना (गामा-रे गन)
सबसे पहले, वैज्ञानिकों को उच्च-ऊर्जा वाले प्रकाश कणों (गामा किरणों) की एक बहुत तेज़, बहुत चमकीली और बहुत व्यवस्थित किरण की आवश्यकता होती है।

• सेटअप: वे इलेक्ट्रॉनों की एक किरण (पदार्थ के सूक्ष्म कण) लेते हैं जो प्रकाश की गति के लगभग बराबर चल रही है और उन्हें एक लेज़र पल्स से टकराते हैं।
• जादू: जब इलेक्ट्रॉन लेज़र से टकराते हैं, तो वे एक दर्पण की तरह कार्य करते हैं जो प्रकाश की गति को बढ़ा देता है। लेज़र फोटॉन इलेक्ट्रॉनों से टकराकर ऊर्जा का एक विशाल उछाल प्राप्त करते हैं, जिससे वे उच्च-ऊर्जा वाली गामा किरणों में बदल जाते हैं। इसे इनवर्स कॉम्पटन स्कैटरिंग (Inverse Compton Scattering) कहा जाता है।
• विशेष सामग्री: शोध पत्र इस बात पर जोर देता है कि ये गामा किरणें केवल यादृच्छिक (random) नहीं हैं; ये ध्रुवीकृत (polarized) हैं। कल्पना कीजिए कि प्रकाश तरंगें रस्सियाँ हैं। यदि आप एक रस्सी को ऊपर-नीचे हिलाते हैं, तो तरंगें "लंबवत ध्रुवीकृत" (vertically polarized) होती हैं। यदि आप इसे दाएं-बाएं हिलाते हैं, तो वे "क्षैतिज ध्रुवीकृत" (horizontally polarized) होती हैं। पहले लेज़र को इस तरह सेट किया गया है कि परिणामी गामा किरणें सभी एक ही दिशा में हिल रही हों (अत्यधिक ध्रुवीकृत)। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि अगला चरण इस बात पर निर्भर करता है कि इस कंपन का कोण क्या है।

चरण 2: टकराव (आग जलाने वाला यंत्र)
अब, वैज्ञानिक उस व्यवस्थित गामा किरणों की किरण को एक दूसरे, और भी अधिक शक्तिशाली लेज़र पल्स में दागते हैं।

• लक्ष्य: वे चाहते हैं कि गामा किरण उस तीव्र प्रकाश के साथ टकराए और स्वतः ही एक इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन जोड़े में बदल जाए।
• ट्विस्ट: क्योंकि गामा किरणें ध्रुवीकृत हैं, वैज्ञानिक दूसरे लेज़र को घुमाकर देख सकते हैं कि क्या कोण मायने रखता है। वे गामा किरणों के "कंपन" को लेज़र के कंपन के समानांतर (ऊपर-नीचे) या लंबवत (दाएं-बाएं) संरेखित कर सकते हैं।

कोण क्यों मायने रखता है (उपमा)

शोध पत्र की मुख्य खोज यह है कि कोण परिणाम को कैसे बदलता है।

कल्पना कीजिए कि आप एक भारी झूले को धक्का दे रहे हैं।

• यदि आप झूले को ठीक उसी दिशा में धक्का देते हैं जिसमें वह पहले से ही चल रहा है (समानांतर), तो उसे ऊँचा उठाना कठिन होता है।
• यदि आप उसे बगल से, उसकी गति के लंबवत (perpendicular) धक्का देते हैं, तो आपको एक अलग, शायद अधिक कुशल प्रतिक्रिया मिल सकती है।

इस प्रयोग में, "झूला" पदार्थ बनाने की संभावना है। शोध पत्र दिखाता है कि जब गामा किरण का ध्रुवीकरण लेज़र के ध्रुवीकरण के लंबवत (perpendicular) होता है, तो समानांतर होने की तुलना में इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन जोड़े बनाना काफी आसान होता है। यह झूले को धक्का देने के लिए "सही जगह" (sweet spot) खोजने जैसा है।

परीक्षण किए गए तीन परिदृश्य

लेखकों ने कंप्यूटर सिमुलेशन (भौतिकविदों के लिए एक वीडियो गेम की तरह) चलाए ताकि यह देखा जा सके कि क्या यह काम करेगा, इसके लिए तीन अलग-अलग प्रकार के "खेल के मैदानों" का उपयोग किया गया:

1. "LUXE" सेटअप (निकट-भविष्य की लैब): यह एक 16.5 GeV इलेक्ट्रॉन बीम का उपयोग करता है (जो जर्मनी में नियोजित LUXE प्रयोग के समान है)।

   • परिणाम: उन्होंने पाया कि वे प्रति शॉट कुछ जोड़े बना सकते हैं। महत्वपूर्ण रूप से, वे स्पष्ट रूप से देख सकते हैं कि लेज़र को 90 डिग्री घुमाने से उत्पन्न जोड़ों की संख्या में लगभग 70% की वृद्धि हुई। यह एक वास्तविक लैब में स्पष्ट रूप से मापा जाने योग्य अंतर है।

2. "E-144" सेटअप (एक क्लासिक लैब): यह 50 GeV की तेज़ बीम का उपयोग करता है, जो 1990 के दशक में SLAC में किए गए एक प्रयोग के समान है।

   • परिणाम: क्योंकि इलेक्ट्रॉन अधिक तेज़ हैं, इसलिए गामा किरणें अधिक ऊर्जावान हैं। इससे वैज्ञानिकों को "हार्मोनिक संरचना" (harmonic structure) देखने में मदद मिली। कल्पना कीजिए कि एक संगीत नोट है; हार्मोनिक्स उसके उच्च-पिच वाले ओवरटोन्स हैं। भौतिकी में, इसका अर्थ है कि वे प्रक्रिया के "चरणों" (steps) को देख सके, जो यह सिद्ध करता है कि युग्म निर्माण केवल एक बड़े टकराव से नहीं, बल्कि कई फोटॉनों को एक साथ अवशोषित करने से होता है।

3. "ILC" सेटअप (भविष्य की सुपर-लैब): यह एक भविष्य के लीनियर कोलाइडर की कल्पना करता है जिसमें 200 GeV की विशाल बीम है।

   • परिणाम: यहाँ, ऊर्जा इतनी अधिक है कि खेल के नियम थोड़े बदल जाते हैं। वे "चैनल क्लोजिंग" (channel closings) का अवलोकन कर सकते हैं, जो एक दरवाजा धीरे-धीरे बंद होते देखने जैसा है जैसे-जैसे लेज़र की तीव्रता बदलती है, जिससे कुछ प्रकार के टकराव होना रुक जाता है। यह उन्हें सरल प्रकाश-पदार्थ अंतःक्रियाओं से जटिल, गैर-रैखिक अंतःक्रियाओं के संक्रमण का अध्ययन करने की अनुमति देगा।

निचोड़ (Bottom Line)

शोध पत्र का दावा है कि हमें इस अध्ययन के लिए विज्ञान कथा (science fiction) तकनीक की प्रतीक्षा करने की आवश्यकता नहीं है। दो-चरणीय सेटअप का उपयोग करके जहाँ हम पहले गामा किरणों की एक स्वच्छ, ध्रुवीकृत किरण बनाते हैं और फिर उसे एक मजबूत लेज़र से टकराते हैं, हम:

1. सिद्ध कर सकते हैं कि ध्रुवीकरण का कोण मायने रखता (लंबवत कोणों पर अधिक जोड़े बनते हैं)।
2. वर्तमान या निकट-भविष्य के उपकरणों (जैसे LUXE प्रयोग) के साथ इस प्रभाव को माप सकते हैं।
3. प्रकाश पदार्थ में कैसे बदलता है, इसके विस्तृत "चरणों" (harmonics) का अवलोकन कर सकते हैं।

यह एक सैद्धांतिक "असंभव" प्रक्रिया को एक मापने योग्य, नियंत्रणीय प्रयोग में बदलने का ब्लूप्रिंट है, जो यह सिद्ध करता है कि प्रकाश वास्तव में पदार्थ में बदला जा सकता है, और प्रकाश के "कंपन" की दिशा यह नियंत्रित करती है कि ऐसा होना कितना आसान है।