Toward a Direct Measurement of Partial Restoration of Chiral Symmetry at J-PARC E16 via Density-induced Chiral Mixing
यह शोध पत्र एक प्रभावी लैग्रेंजियन दृष्टिकोण को परिवहन सिमुलेशन (transport simulations) के साथ जोड़कर यह भविष्यवाणी करता है कि J-PARC E16 प्रयोग, नियोजित Run2 सांख्यिकी का उपयोग करके, आंशिक चिरल समरूपता बहाली (partial chiral symmetry restoration) के सूचक - मिश्रण के संकेत को लगभग 2.5 सार्थकता के साथ देख सकता है।
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प्रत्येक परमाणु के हृदय में, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन एक ऐसे बल द्वारा एक साथ बंधे होते हैं जो हमारी रोजमर्रा की सहज बुद्धि को चुनौती देता है। यह बल, जिसे 'स्ट्रॉन्ग इंटरेक्शन' (प्रबल अन्योन्यक्रिया) के रूप में जाना जाता है, क्वार्क नामक और भी छोटे कणों के व्यवहार से उत्पन्न होता है। निर्वात के खाली स्थान में, क्वार्क इतने मजबूती से बंधे होते हैं कि वे भारी, स्थिर कण बनाते हैं, जिससे पदार्थ को उसका भार मिलता है। हालांकि, भौतिकविदों को लंबे समय से संदेह था कि यदि आप पदार्थ को पर्याप्त रूप से दबाते हैं या इसे अत्यधिक तापमान तक गर्म करते हैं, तो यह बंधन बल कमजोर हो जाएगा। कणों को नियंत्रित करने वाले नियम बदल जाएंगे, और भारी कण इस तरह व्यवहार करने लगेंगे जैसे कि वे हल्के हों, मानो ब्रह्मांड स्वयं को एक सरल अवस्था में पुनर्र्वस्थापित कर रहा हो। इस घटना को 'काइरल सिमेट्री का बहाली' (restoration of chiral symmetry) कहा जाता है, जो इस सिद्धांत का एक मौलिक विचार है कि ब्रह्मांड कैसे बना है। इसे एक नियंत्रित सेटिंग में सिद्ध करना परमाणु भौतिकी के सबसे कठिन लक्ष्यों में से एक रहा है, क्योंकि इसके लिए आवश्यक स्थितियां बनाना और मापना अविश्वसनीय रूप से कठिन है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब जापान में एक विशाल कण त्वरक (पार्टिकल एक्सेलेरेटर) का उपयोग करके इस परिवर्तन की एक झलक पाने का एक नया तरीका प्रस्तावित किया है। एक एकल कण के द्रव्यमान को सीधे मापने के बजाय, जो अक्सर भ्रमित करने वाली अन्योन्यक्रियाओं से ढका रहता है, उन्होंने समरूपता (सिमेट्री) के लौटने की एक विशिष्ट "गूँज" (इको) की तलाश की। उप-परमाणु कणों की दुनिया में, प्रत्येक भारी कण का एक साथी होता है, एक जुड़वां जो अधिकांश मामलों में समान होता है लेकिन विपरीत दिशा में घूमता है। सामान्य स्थितियों में, इन जुड़वाओं के द्रव्यमान बहुत भिन्न होते हैं। लेकिन यदि काइरल सिमेट्री बहाल होती है, तो ये जुड़वां समान हो जाने चाहिए, और उनके द्रव्यमान एक में विलीन हो जाने चाहिए। शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट जोड़ी पर ध्यान केंद्रित किया: एक कण जिसे 'फी मेसॉन' (phi meson) कहा जाता है और उसका भारी साथी, 'f1(1420)'। उन्होंने गणना की कि यदि ये कण एक घने वातावरण के भीतर, जैसे कि परमाणु नाभिक के कोर में बनाए जाते हैं, तो भौतिकी के नियम उन्हें आपस में मिलने के लिए मजबूर करेंगे। यह मिश्रण (मिक्सिंग) उन कणों की ऊर्जा में एक विशिष्ट छाप छोड़ देगा जिनमें वे क्षय (डिके) होते हैं, एक ऐसा संकेत जो अंततः पुष्टि कर सकता है कि समरूपता वास्तव में लौट रही है।
हिरोशिमा विश्वविद्यालय और अन्य संस्थानों के वैज्ञानिकों के नेतृत्व में यह अध्ययन जे-पार्क (J-PARC) सुविधा, जिसे E16 के रूप में जाना जाता है, में होने वाले एक आगामी प्रयोग पर केंद्रित है। इस प्रयोग में प्रोटॉन की एक बीम को 30 बिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट की गति से तांबे और सीसे के भारी धातु ब्लॉकों में छोड़ा जाएगा। जब ये उच्च गति वाले प्रोटॉन धातु के परमाणुओं से टकराते हैं, तो वे एक संक्षिप्त, अविश्वसनीय रूप से घने वातावरण का निर्माण करते जहाँ निर्वात के नियम लागू नहीं होते। इस घने सूप के भीतर, शोधकर्ता भविष्यवाणी करते हैं कि फी मेसॉन और f1(1420) अलग-अलग संस्थाएं बनकर नहीं रहेंगे। इसके बजाय, वे आपस में मिल जाएंगे, एक ऐसी प्रक्रिया जो आसपास के पदार्थ के घनत्व से प्रेरित होती है। यह मिश्रण उन कणों के चलने और क्षय होने के तरीके को बदल देता है, जिससे उनके द्वारा अंततः उत्पादित इलेक्ट्रॉन-पॉजिट्रॉन युग्मों की ऊर्जा बदल जाती है। इलेक्ट्रॉन युग्मों के द्रव्यमान को सावधानीपूर्वक मापकर, प्रयोगकर्ता एक नए शिखर (पीक) या सिग्नल के विस्तार को देखने की आशा करते हैं जो फी मेसॉन के साथ f1(1420) के मिश्रण को प्रकट करता है।
यह निर्धारित करने के लिए कि क्या यह सिग्नल दिखाई दे सकता है, टीम ने पूरी टक्कर प्रक्रिया के विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन किए। उन्होंने मॉडल किया कि प्रोटॉन धातु के माध्यम से कैसे यात्रा करते हैं, फी मेसॉन कैसे बनते हैं, और वे क्षय होने से पहले घने परमाणु पदार्थ के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। उनके कार्य का एक महत्वपूर्ण हिस्सा इस तथ्य को ध्यान में रखना था कि फी मेसॉन बहुत कम समय के लिए जीवित रहता है, लेकिन इतना लंबा कि कई मेसॉन धातु लक्ष्य से बाहर निकलने से पहले ही क्षय हो जाते हैं। इसका अर्थ है कि वे खाली स्थान में क्षय होते हैं, जहाँ घनत्व शून्य है और कोई मिश्रण नहीं होता है। शोधकर्ताओं को ठीक से गणना करनी पड़ी कि कितने कण घने लक्ष्य के अंदर और कितने बाहर क्षय होते हैं। उन्होंने अन्य कणों से आने वाले बैकग्राउंड शोर (पृष्ठभूमि शोर) का भी सिमुलेशन किया, जो सिग्नल की तरह दिखते हैं लेकिन वे सिग्नल नहीं हैं, और डिटेक्टर की सीमाओं का भी। उन्होंने पाया कि मिश्रण के सिग्नल को देखने की क्षमता दो कणों के बीच की अंतःक्रिया की शक्ति और चलते हुए कणों की गति की विशिष्ट सीमा पर बहुत अधिक निर्भर करती है।
इन सिमुलेशन के परिणाम एक सतर्क लेकिन आशाजनक दृष्टिकोण प्रदान करते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि यदि दोनों कणों के बीच का मिश्रण पर्याप्त रूप से मजबूत है, तो प्रयोग लगभग 2.5 मानक विचलन (स्टैंडर्ड डेविएशन) के सांख्यिकीय विश्वास के साथ सिग्नल का पता लगा सकता है। विज्ञान की भाषा में, यह एक मजबूत संकेत है, हालांकि अभी तक यह निर्णायक प्रमाण नहीं है, जिसके लिए आमतौर पर एक उच्च सीमा की आवश्यकता होती है। सिग्नल सबसे स्पष्ट तब होता है जब प्रयोग मध्यम गति के कणों पर ध्यान केंद्रित करता है, जो लगभग 0.4 और 0.8 बिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट के बीच होते हैं। यदि मिश्रण बहुत कमजोर है, तो सिग्नल बैकग्राउंड शोर में खो जाता है। यदि मिश्रण बहुत मजबूत है, तो सिग्नल विभिन्न ऊर्जाओं में इतना फैल जाता है कि उसे आसपास की अराजकता से अलग करना असंभव हो जाता है। टीम ने यह भी खोजा कि लक्ष्य का आकार महत्वपूर्ण है। सीसे (लीड) का लक्ष्य, जो तांबे की तुलना में बड़ा और अधिक घना होता है, इस संभावना को बढ़ाता है कि कण घने वातावरण के भीतर ही क्षय हो जाएं, जिससे सिग्नल अधिक स्पष्ट हो जाता है।
उनके निष्कर्षों का सबसे दिलचस्प पहलू यह है कि यह सिग्नल स्वयं कणों की प्रकृति के बारे में हमें क्या बताएगा। यदि प्रयोग इस मिश्रण को देखता है, तो यह सुझाव देगा कि f1(1420) वास्तव में फी मेसॉन का काइरल साथी है और उनके द्रव्यमान आपस में मिलने लगे हैं। सिमुलेशन संकेत देते हैं कि भले ही समरूपता की आंशिक बहाली हो, जहाँ बंधन बल लगभग 30 प्रतिशत कमजोर हो जाता है, वह f1(1420) के द्रव्यमान को फी मेसॉन के करीब लाने के लिए पर्याप्त होगा। यह बदलाव मापने योग्य होगा, बशर्ते कि मिश्रण का सिग्नल देखने के लिए पर्याप्त मजबूत हो। शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि यह एक सिमुलेशन है कि क्या हो सकता है, जो वर्तमान सिद्धांतों और J-PARC E16 प्रयोग की नियोजित क्षमताओं पर आधारित है। उन्होंने अभी तक इस घटना का अवलोकन नहीं किया है, लेकिन उनका कार्य यह बताता है कि इसे कैसे देखा जाए, इसके लिए एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करता है।
आगे का मार्ग J-PARC E16 प्रयोग द्वारा पर्याप्त डेटा एकत्र करने की प्रतीक्षा करने में निहित है, जो दो चरणों में होगा, जिसमें दूसरा चरण एक सार्थक अवलोकन के लिए आवश्यक सांख्यिकी प्रदान करेगा। टीम का सुझाव है कि यदि सिग्नल मिल जाता है, तो यह समझने की दिशा में एक बड़ा कदम होगा कि पदार्थ का द्रव्यमान क्यों होता है। यह पुष्टि करेगा कि कणों के भारी वजन ब्रह्मांड के निश्चित गुण नहीं हैं, बल्कि उस वातावरण का परिणाम हैं जिसमें वे रहते हैं। इन कणों के मिश्रण और उनके द्रव्यमान में परिवर्तन को देखकर, वैज्ञानिक प्रकृति के मौलिक नियमों को अपनी आँखों के सामने बदलते हुए देखने की उम्मीद करते हैं, जो वास्तविकता की एक गहरी परत को प्रकट करता है जो केवल तभी मौजूद होती है जब पदार्थ को उसकी सीमा तक दबाया जाता है। हालाँकि, जब तक डेटा एकत्र नहीं किया जाता, तब तक इस मिश्रण का अस्तित्व एक सम्मोहक भविष्यवाणी बना हुआ है, जो कण टकराव की अगली पीढ़ी द्वारा परीक्षण किए जाने की प्रतीक्षा कर रहा है।
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