Observation of partonic flow in proton-proton and proton-nucleus collisions
यह शोध पत्र एलएचसी (LHC) में उच्च-बहुलता वाले प्रोटॉन-प्रोटॉन और प्रोटॉन-लेड टकरावों के भीतर एनिसोट्रोपिक फ्लो (anisotropic flow) में विशिष्ट बेरियन-मेसॉन समूहीकरण के पहले अवलोकन की रिपोर्ट करता है, जो इन छोटे टकराव प्रणालियों में क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा के अनुरूप पार्टोनिक फ्लोइंग सिस्टम (partonic flowing systems) के निर्माण का पुख्ता प्रमाण प्रदान करता है।
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बिग बैंग के पहले क्षणों में, ब्रह्मांड उन ठोस परमाणुओं से नहीं बना था जिनसे आज हमारी दुनिया बनी है। इसके बजाय, यह क्वार्क्स और ग्लुऑन्स नामक मौलिक कणों का एक उबलता हुआ, अत्यंत गर्म सूप था। ये कण, जो आमतौर पर प्रोटॉन और न्यूट्रॉन बनाने के लिए आपस में जुड़ जाते हैं, क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा के रूप में स्वतंत्र रूप से तैर रहे थे। जैसे-जैसे ब्रह्मांड ठंडा हुआ, यह प्लाज्मा उन हैड्रॉन्स में जम गया जिन्हें हम आज देखते हैं। यह संक्रमण कैसे हुआ, इसे समझने के लिए वैज्ञानिक भारी परमाणु नाभिकों को लगभग प्रकाश की गति से आपस में टकराकर इन चरम स्थितियों को फिर से पैदा करते हैं। जब ये विशाल टकराव होते हैं, तो वे इस आदिम प्लाज्मा की एक छोटी, क्षणिक बूंद बनाते हैं। इन टकरावों से निकलने वाले कणों के व्यवहार का अध्ययन करके, शोधकर्ता यह जान सकते हैं कि प्लाज्मा कैसे व्यवहार करता है, विशेष रूप से यह देखते हैं कि क्या कण यादृच्छिक (रैंडम) रूप से बिखरने के बजाय एक समन्वित, तरल-जैसे तरीके से एक साथ चले।
दशकों तक, यह समन्वित गति, या "प्रवाह" (फ्लो), केवल भारी आयनों वाले टकरावों में ही देखी गई थी, जहाँ कणों की विशाल संख्या ने संकेत दिया था कि एक बड़ा, तरल-सदृश बूंद बन गया है। हालाँकि, हाल के वर्षों में, वैज्ञानिकों ने बहुत छोटे टकरावों में भी अजीब समानताएं देखीं, जैसे कि एक एकल प्रोटॉन और एक लेड (सीसा) नाभिक के बीच, या यहाँ तक कि दो प्रोटॉनों के बीच। ये छोटे सिस्टम इतने बड़े होने की उम्मीद नहीं थे कि वे एक तरल बना सकें। सवाल यह था कि क्या इन छोटे टकरावों ने भी क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा की एक छोटी बूंद बनाई, या देखे गए पैटर्न किसी और चीज़ के कारण थे। लार्ज हैड्रोन कोलाइडर में ALICE सहयोग ने अब सबसे स्पष्ट प्रमाण दिया है कि इन सबसे छोटे टकरावों में भी, एक तरल-सदृश पदार्थ की अवस्था वास्तव में बनती है।
शोधकर्ताओं ने उच्च-बहुलता (हाई-मल्टीप्लिसिटी) वाली घटनाओं पर ध्यान केंद्रित किया, जो आश्चर्यजनक रूप से बड़ी संख्या में कण उत्पन्न करती हैं, और उन्हें कम-बहुलता वाली घटनाओं से तुलना की जो कम कण उत्पन्न करती हैं। उन्होंने 5.02 टेरा-इलेक्ट्रॉन वोल्ट की ऊर्जा पर प्रोटॉन और लेड नाभिक के टकरावों, और 13 टेरा-इलेक्ट्रॉन वोल्ट पर दो प्रोटॉनों के टकरावों के डेटा का विश्लेषण किया। इस अराजकता को समझने के लिए, उन्होंने कणों को दो मुख्य परिवारों में वर्गीकृत किया: मेसॉन, जो क्वार्क के एक जोड़े से बने होते हैं, और बैरयॉन, जो तीन क्वार्क से बने होते हैं। फिर उन्होंने यह मापा कि ये कण टकराव बिंदु से बाहर की ओर बढ़ते समय कैसे वितरित होते हैं। एक फैलते हुए तरल में, भारी कण कम गति पर हल्के कणों की तुलना में अलग तरह से चलते हैं—एक ऐसा पैटर्न जिसे टीम ने पुष्टि की कि वे इन छोटे टकरावों में भी देख सकते हैं।
सबसे महत्वपूर्ण खोज तब हुई जब उन्होंने मध्यम गति पर चलने वाले कणों को देखा। इस सीमा में, टीम को बैरयॉन और मेसॉन के व्यवहार के बीच एक स्पष्ट अंतर मिला। बैरयॉन ने मेसॉन की तुलना में अधिक समन्वित प्रवाह दिखाया। यह विशिष्ट समूह एक ऐसे तंत्र की पहचान है जहाँ कणों का निर्माण बहते हुए क्वार्क्स के संयोजन से होता है। कल्पना कीजिए कि लोगों की एक भीड़ एक समन्वित लहर (वेव) में चल रही है; यदि लहर व्यक्तियों से बनी है, तो तीन लोगों के एक साथ चलने वाले समूहों का व्यवहार दो लोगों के समूहों से अलग होगा। इसी तरह, तथ्य यह है कि तीन-क्वार्क वाले बैरयॉन और दो-क्वार्क वाले मेसॉन अलग-अलग प्रवाह पैटर्न में विभाजित होते हैं, यह सुझाव देता है कि प्रवाह उन व्यक्तिगत क्वार्क्स के स्तर पर हुआ था जिनसे मिलकर कण बने।
इस व्याख्या की पुष्टि करने के लिए, टीम ने अपने मापों की तुलना परिष्कृत कंप्यूटर मॉडलों से की। एक मॉडल, जिसमें बहते हुए क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा के भौतिकी और उसके बाद क्वार्क्स के कण बनाने के संयोजन को शामिल किया गया था, ने देखे गए पैटर्न को सफलतापूर्वक पुनरुत्पादित किया। यह मॉडल प्रोटॉन-लेड और प्रोटॉन-प्रोटॉन दोनों टकरावों के डेटा से मेल खाता था। इसके विपरीत, अन्य मॉडलों ने, जिन्होंने बिना तरल चरण के परिणामों को समझाने की कोशिश की, या जो स्ट्रिंग-जैसे इंटरैक्शन जैसे विभिन्न तंत्रों पर निर्भर थे, इस विशिष्ट अलगाव को पकड़ने में विफल रहे। अन्य मॉडल यह समझाने में असमर्थ थे कि क्यों तीन-क्वार्क वाले कण दो-क्वार्क वाले कणों की तुलना में अधिक मजबूती से प्रवाहित होते हैं।
अध्ययन ने इन प्रभावों को मापने के तरीके से जुड़ी पिछली अनिश्चितताओं को भी संबोधित किया। छोटे सिस्टम में इस पैटर्न को खोजने के पिछले प्रयास अक्सर असंबंधित कण इंटरैक्शन के "शोर" (नॉइज़) से भ्रमित हो जाते थे। ALICE टीम ने इस शोर को फ़िल्टर करने के लिए एक परिष्कृत तकनीक का उपयोग किया, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि उनके द्वारा मापा गया सिग्नल वास्तव में सिस्टम की सामूहिक गति से आया है। वास्तविक प्रवाह को बैकग्राउंड प्रभावों से सावधानीपूर्वक अलग करके, वे यह दिखाने में सक्षम रहे कि बैरयॉन-मेसॉन समूहन एक मजबूत विशेषता है, जो दोनों प्रकार के छोटे टकरावों में उच्च सांख्यिकीय निश्चितता के साथ दिखाई देती है।
यह कार्य बताता है कि क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा का निर्माण भारी आयनों के विशाल टकरावों तक ही सीमित नहीं है। यहाँ तक कि प्रोटॉनों के बीच सबसे छोटे टकरावों में भी, यदि पर्याप्त ऊर्जा एक छोटे स्थान में भरी जाती है, तो इस आदिम तरल की एक छोटी बूंद बन सकती है और फैल सकती है। निष्कर्ष संकेत देते हैं कि एक मुक्त क्वार्क्स के तरल से ठोस पदार्थ में संक्रमण एक मौलिक गुण है, जो उच्च-ऊर्जा टकरावों में घटित होता है, चाहे टकराने वाली वस्तुओं का आकार कुछ भी हो, बशर्ते स्थितियाँ सही हों। परिणाम इस बात का प्रबल तर्क प्रदान करते हैं कि प्रारंभिक ब्रह्मांड के व्यवहार को नियंत्रित करने वाले नियम आज प्रयोगशाला में होने वाले सूक्ष्म, उच्च-गति वाले टकरावों पर भी लागू होते हैं।
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