Centrality dependence of charged-particle pseudorapidity density at midrapidity in Pb-Pb collisions at TeV
ALICE सहयोग TeV पर Pb-Pb टकरावों में मिडरैपिडिटी पर आवेशित-कण स्यूडोरैपिडिटी घनत्व के अपने पहले रन 3 के मापन प्रस्तुत करता है, जिसमें एक अपग्रेडेड डिटेक्टरों का उपयोग करके एक सेंट्रलिटी-निर्भर बेसलाइन स्थापित की गई है जो पिछले रुझानों के अनुरूप है और जिसकी तुलना कण उत्पादन के विभिन्न सैद्धांतिक मॉडलों के विरुद्ध की गई है।
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पदार्थ के हृदय में, जहाँ परमाणुओं को उनके कोशों से मुक्त कर दिया जाता है और प्रोटॉन एवं न्यूट्रॉन को टकराने के लिए मजबूर किया जाता है, वहाँ अस्तित्व की एक ऐसी अवस्था विद्यमान है जो ब्रह्मांड के शुरुआती क्षणों के बाद से नहीं देखी गई है। जब भारी परमाणु नाभिक प्रकाश की गति के करीब की तीव्र गति से एक-दूसरे से टकराते हैं, तो वे क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा नामक एक सूक्ष्म, क्षणभंगुर अति-गर्म तरल की बूंद बनाते हैं। इस चरम वातावरण में, पदार्थ के मूलभूत निर्माण खंड, जो आमतौर पर प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के भीतर मजबूती से बंधे होते हैं, पिघलकर स्वतंत्र हो जाते हैं और एक साथ घूमने लगते हैं। भौतिक विज्ञानी इन टकरावों का अध्ययन यह समझने के लिए करते हैं कि ब्रह्मांड कैसे ठंडा हुआ और आज दिखने वाली संरचना का निर्माण कैसे हुआ। ऐसा करने के लिए, उन्हें उन कणों की गिनती करनी होती है जो इस टक्कर से बाहर निकलते हैं। उत्पादित कणों की संख्या उन्हें बताती है कि टक्कर में कितनी ऊर्जा समाहित थी और उन शुरुआती क्षणों में पदार्थ का व्यवहार कैसा था। यह टक्कर से उत्पन्न हुए अग्निपिंड (फायरबॉल) के आकार और आकृति को मापने का एक तरीका है।
एलएचसी (Large Hadron Collider) के अलिस (ALICE) डिटेक्टर के साथ काम करने वाली वैज्ञानिकों की एक टीम ने अब एक नई अपग्रेड की गई मशीन का उपयोग करके इन टकरावों पर एक ताज़ा नज़र डाली है। उन्होंने रिकॉर्ड तोड़ ऊर्जा स्तर पर लेड (सीसा) नाभिकों को आपस में टकराया, जिससे एक ऐसी सघन प्रणाली बनी जिसके लिए डिटेक्टर की क्षमता में पूर्ण सुधार की आवश्यकता थी। शोधकर्ताओं ने टक्कर के केंद्र से निकलने वाले आवेशित कणों (charged particles) की गिनती करने पर ध्यान केंद्रित किया। अरबों इन घटनाओं का विश्लेषण करके, उन्होंने यह मानचित्रित किया कि टक्कर कितनी आमने-सामने (head-on) की थी, इसके आधार पर कितने कण उत्पन्न होते हैं। उनका कार्य इस बात की पुष्टि करता है कि इन सूक्ष्म विस्फोटों को नियंत्रित करने वाले नियम इन नई, उच्च ऊर्जाओं पर भी सत्य बने रहते हैं, जबकि यह भी प्रकट करता है कि इन भारी टकरावों में निर्मित पदार्थ की मात्रा एकल प्रोटॉन के बीच होने वाले टकरावों की तुलना में अधिक तेज़ी से बढ़ती है।
यह प्रयोग 2023 में हुआ था, जब लार्ज हैड्रोन कोलाइडर प्रति न्यूक्लियॉन जोड़ी के 5.36 टेरा-इलेक्ट्रॉन वोल्ट के केंद्र-द्रव्यमान ऊर्जा के साथ लेड आयनों के साथ चल रहा था। ऐसे भारी-आयन टकरावों के लिए यह अब तक की उच्चतम ऊर्जा है। डेटा कैप्चर करने के लिए, अलिस टीम ने त्वरक (accelerator) के एक लंबे शटडाउन के दौरान स्थापित किए गए दो प्रमुख अपग्रेड्स पर भरोसा किया। पहला एक नया आंतरिक ट्रैकिंग सिस्टम था जो अत्यधिक संवेदनशील सिलिकॉन सेंसर की परतों से बना था, और दूसरा बड़े टाइम प्रोजेक्शन चैंबर का एक प्रमुख ओवरहाल था, जो कणों के लिए एक विशाल 3D कैमरे के रूप में कार्य करता है। पिछले दौरों के विपरीत, जहाँ डिटेक्टर रिकॉर्डिंग शुरू करने के लिए सिग्नल का इंतज़ार करता था, नया सिस्टम एक निरंतर मोड (continuous mode) में काम करता है, जो बिना रुके डेटा पढ़ता रहता है। यह आवश्यक था क्योंकि टकराव इतनी बार होते थे कि यदि डिटेक्टर को प्रत्येक घटना के बीच रुकना पड़ता, तो वह अधिकांश घटनाओं को मिस कर देता। टीम को इस निरंतर सूचना प्रवाह को छाँटने और प्रत्येक कण ट्रैक को सही टक्कर वर्टेक्स (collision vertex) से मिलाने के लिए नया सॉफ्टवेयर विकसित करना पड़ा।
शोधकर्ताओं ने 1.1 बिलियन 'मिनिमम-बायस' (minimum-bias) टकरावों के नमूने का विश्लेषण किया, जिसमें मामूली टक्करों से लेकर सीधी टक्करों तक सभी प्रकार के प्रभाव शामिल हैं। उन्होंने इन घटनाओं को इस आधार पर दस समूहों में वर्गीकृत किया कि टक्कर कितनी केंद्रीय (central) थी, जिसके लिए उन्होंने दो लेड नाभिकों से वास्तव में परस्पर क्रिया करने वाले न्यूक्लियनों की संख्या का अनुमान लगाने के लिए फॉरवर्ड डिटेक्टर्स से प्राप्त संकेतों का उपयोग किया। सबसे केंद्रीय टकरावों के लिए, जहाँ नाभिक लगभग बिल्कुल केंद्र में टकराते हैं, टीम ने पाया कि टक्कर के केंद्र में उत्पादित औसत आवेशित कणों की संख्या 2,010 थी, जिसमें त्रुटि का एक छोटा सा मार्जिन था। जैसे-जैसे टकराव अधिक परिधीय (peripheral), या मामूली होते गए, कणों की संख्या काफी गिरकर सबसे मामूली टक्करों के लिए लगभग 21.5 रह गई। इस भिन्नता ने वैज्ञानिकों को यह अध्ययन करने की अनुमति दी कि टक्कर की ज्यामिति पदार्थ के उत्पादन को कैसे प्रभावित करती है।
इन संख्याओं का अर्थ निकालने के लिए, टीम ने कणों की गिनती की तुलना सहभागी न्यूक्लियनों (participating nucleons) की संख्या से की, जो उन प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की कुल संख्या को दर्शाता है जिन्होंने टक्कर में भाग लिया। उन्होंने पाया कि जब उन्होंने डेटा को सहभागी न्यूक्लियॉन जोड़ियों की संख्या से विभाजित करके सामान्यीकृत (normalize) किया, तो सबसे केंद्रीय टकरावों के लिए परिणाम 10.5 था। यह मान 5.02 टेरा-इलेक्ट्रॉन वोल्ट की थोड़ी कम ऊर्जा पर समान टकरावों में मापे गए मान से लगभग 4 प्रतिशत अधिक है। यह वृद्धि कम ऊर्जा पर पिछले प्रयोगों में देखे गए एक अनुमानित रुझान का अनुसरण करती है, जो पुष्टि करती है कि भारी-आयन टकरावों में कणों का उत्पादन एक विशिष्ट तरीके से ऊर्जा के साथ बढ़ता है। ऊर्जा के साथ कण उत्पादन के बढ़ने की दर एकल प्रोटॉन के बीच होने वाले टकरावों की तुलना में इन भारी लेड टकरावों में अधिक तेज़ है, जो यह सुझाव देता है कि कई न्यूक्लियनों का सामूहिक व्यवहार एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।
इस शोध पत्र ने कई सैद्धांतिक मॉडलों का भी परीक्षण किया जो यह वर्णन करने का प्रयास करते हैं कि ये कण कैसे बनते हैं। कुछ मॉडल मानते हैं कि पदार्थ एक तरल के रूप में बनता है जो हाइड्रोडायनामिक्स के नियमों के अनुसार फैलता और ठंडा होता है, जबकि अन्य टक्कर को सामूहिक तरल व्यवहार के बिना न्यूक्लियनों के बीच व्यक्तिगत अंतःक्रियाओं की एक श्रृंखला के रूप में देखते हैं। डेटा ने दिखाया कि जबकि इनमें से कुछ मॉडल परिणामों के सामान्य आकार को पकड़ सकते थे, वे सभी व्यवस्थित रूप से उत्पादित कणों की वास्तविक संख्या को कम करके आंकते थे। एक मॉडल, जिसमें प्रारंभिक टक्कर के बाद कणों की अंतःक्रिया का सिमुलेशन शामिल था, ने सबसे केंद्रीय टकरावों के लिए डेटा का बेहतर वर्णन किया, लेकिन कोई भी एकल मॉडल सभी प्रकार के टकरावों के लिए परिणामों को सफलतापूर्वक पुनरुत्पादित नहीं कर सका। यह इंगित करता है कि इन चरम स्थितियों में कण उत्पादन को संचालित करने वाले तंत्रों के बारे में हमारी वर्तमान समझ अभी भी अपूर्ण है।
ये निष्कर्ष अपग्रेड किए गए अलिस डिटेक्टर और उसकी नई निरंतर रीडआउट क्षमताओं के एक प्रमुख सत्यापन के रूप में कार्य करते हैं। अरबों घटनाओं को उच्च सटीकता के साथ पुनर्गठित करने की क्षमता यह प्रदर्शित करती है कि नया हार्डवेयर और सॉफ्टवेयर ढांचा लार्ज हैड्रोन कोलाइडर के वर्तमान दौर की चरम स्थितियों को संभालने में सक्षम है। इन टकरावों के लिए अब तक की उच्चतम ऊर्जा पर कण उत्पादन का सटीक माप प्रदान करके, यह अध्ययन भविष्य के अन्वेषणों के लिए एक नया संदर्भ बिंदु निर्धारित करता है। यह पुष्टि करता है कि क्वार्क-ग्लोन प्लाज्मा में देखे गए मौलिक रुझान मजबूत हैं, भले ही टकराव की ऊर्जा बढ़ती रहे, और यह उन जटिल गतिकी को पूरी तरह से समझाने के लिए अधिक परिष्कृत सैद्धांतिक उपकरणों की आवश्यकता पर प्रकाश डालता है।
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