Measurement of coincident photon-initiated processes in ultra-peripheral Pb+Pb collisions with the ATLAS detector
एटलस (ATLAS) सहयोग 5.02 और 5.36 TeV पर अल्ट्रा-परिफेरल Pb+Pb टकरावों में डिम्यूऑन (dimuons) और रो मेसॉन (rho mesons) के सहवर्ती उत्पादन का पहला मापन प्रस्तुत करता है, जो बहु-फोटॉन-प्रेरित प्रक्रियाओं की घटना की पुष्टि करता है और उनके प्रभाव मापदंड (impact parameter) निर्भरता पर नए अंतर्दृष्टि प्रदान करता है।
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एक कण त्वरक (पार्टिकल एक्सेलरेटर) के चरम वातावरण में, वैज्ञानिक उन स्थितियों को फिर से बना सकते हैं जो ब्रह्मांड के शुरुआती क्षणों की नकल करती हैं। इसे करने का एक विशिष्ट तरीका भारी परमाणु नाभिकों को आपस में टकराना है, लेकिन हमेशा आमने-सामने नहीं। कभी-कभी नाभिक एक निश्चित दूरी पर एक-दूसरे के पास से गुजर जाते हैं, जिससे वे सीधे टकराव से बच जाते हैं। क्योंकि ये नाभिक प्रोटॉन से भरे होते हैं, इसलिए इनमें एक विशाल विद्युत आवेश होता है। जब वे लगभग प्रकाश की गति से एक-दूसरे के पास से गुजरते हैं, तो यह आवेश फोटॉन से बनी प्रकाश की एक शक्तिशाली, क्षणिक चमक पैदा करता है। भौतिकी में, ये केवल प्रकाश की चमक नहीं हैं बल्कि वास्तविक कण हैं जो अन्य पदार्थ के साथ परस्पर क्रिया कर सकते हैं। जब ऐसे दो कण आपस में टकराते हैं, तो वे नए कणों, जैसे कि म्यूऑन (muons) के जोड़े में बदल सकते हैं, जो इलेक्ट्रॉन के भारी संबंधी हैं। फोटॉन-फोटॉन प्रकीर्णन (photon-photon scattering) के रूप में जानी जाने वाली यह प्रक्रिया एक सुस्थापित घटना है जो शोधकर्ताओं को सीधे टकराव के अव्यवस्थित मलबे के बिना प्रकृति के मौलिक बलों का अध्ययन करने की अनुमति देती है।
हालाँकि, इन 'नियर-मिसेस' (निकट-चूक) में उत्पन्न तीव्र विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र इतने शक्तिशाली होते हैं कि वे केवल कणों का एक जोड़ा बनाने से अधिक कुछ भी कर सकते हैं। सैद्धांतिक मॉडल लंबे समय से सुझाव देते रहे हैं कि एक ही घटना में, कई परस्पर क्रियाएं एक साथ हो सकती हैं। कल्पना कीजिए कि प्रकाश की एक एकल चमक इतनी उज्ज्वल है कि वह एक साथ दो अलग-अलग प्रतिक्रियाओं को सक्रिय कर सकती है। जबकि वैज्ञानिकों ने पहले भी इन दुर्लभ, बहु-कण घटनाओं को देखा है, उन्होंने पहले कभी इस विशिष्ट संयोजन को नहीं मापा है जहाँ एक परस्पर क्रिया म्यूऑन का जोड़ा बनाती है जबकि, ठीक उसी समय और एक ही टकराव में, दूसरी परस्पर क्रिया 'रो मेसॉन' (rho meson) नामक एक विशिष्ट प्रकार के कण का निर्माण करती है। यह रो मेसन अस्थिर है और जल्दी ही दो पायॉन्स (pions) में टूट जाता है। यह समझना कि ये दो अलग-अलग घटनाएं कितनी बार एक साथ होती हैं, और यह उनकी आवृत्ति कैसे बदलती है कि नाभिक एक-दूसरे के कितने करीब से गुजरे, चरम स्थितियों के तहत प्रकाश और पदार्थ के व्यवहार में एक नया दृष्टिकोण प्रदान करता है।
लार्ज हैड्रोन कोलाइडर में ATLAS डिटेक्टर का उपयोग करने वाले एक शोधकर्ता ने अब इस सहवर्ती उत्पादन (coincident production) का पहला मापन किया है। उन्होंने कई वर्षों में दर्ज किए गए दो अलग-अलग ऊर्जा स्तरों पर लेड (सीसा) नाभिकों के टकराव से प्राप्त डेटा का विश्लेषण किया। इन दुर्लभ घटनाओं को खोजने के लिए, वैज्ञानिकों ने पहले दो फोटॉन के टकराने से बने म्यूऑन जोड़े के स्पष्ट संकेत की तलाश की। इस जोड़े ने एक "टैग" के रूप में कार्य किया, जिसने पुष्टि की कि एक फोटॉन-फोटॉन परस्पर क्रिया हुई थी। इसके बाद उन्होंने उसी टकराव की बारीकी से जांच की कि क्या एक रो मेसॉन भी उत्पन्न हुआ था, जिसकी पहचान उसके द्वारा छोड़े गए दो पायॉन्स से की गई थी। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने यह सुनिश्चित करने के लिए कि कोई अन्य कण मौजूद नहीं थे, ताकि ये दो प्रक्रियाएं एक ही स्वच्छ, अलग टकराव में एक साथ हुईं, न कि दो अलग-अलग दुर्घटनाओं के एक ही समय में होने का परिणाम थीं।
शोधकर्ता ने "इम्पैक्ट पैरामीटर" (impact parameter) पर भी बारीकी से ध्यान दिया, जो अनिवार्य रूप से दो नाभिकों के एक-दूसरे के पास से गुजरते समय उनके केंद्रों के बीच की दूरी है। वे इस दूरी को सीधे नहीं माप सकते थे, लेकिन वे टकराव के दौरान उत्सर्जित न्यूट्रॉन को देखकर इसका अनुमान लगा सकते थे। यदि नाभिक बहुत दूर से गुजरे, तो वे सुरक्षित रहे और कोई न्यूट्रॉन उत्सर्जित नहीं किया। यदि वे करीब से गुजरे, तो विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र इतना शक्तिशाली था कि उसने एक या दोनों नाभिकों से न्यूट्रॉन बाहर निकाल दिए। घटनाओं को न्यूट्रॉन की संख्या के आधार पर छाँटकर, टीम टकरावों को इस आधार पर वर्गीकृत करने में सफल रही कि नाभिक कितने करीब आए थे। उन्होंने पाया कि इन सहवर्ती घटनाओं की दर स्थिर नहीं थी; जैसे-जैसे टकराव करीब होते गए, यह काफी बढ़ गई। उन घटनाओं में जहाँ नाभिक एक-दूसरे के सबसे करीब से गुजरे, म्यूऑन जोड़े और रो मेसॉन को एक साथ देखने की दर उन घटनाओं की तुलना में लगभग तीस गुना अधिक थी जहाँ नाभिक एक-दूसरे से दूर से गुजरे थे।
जब शोधकर्ता ने सभी डेटा को संयोजित किया, चाहे नाभिकों के बीच की दूरी कुछ भी हो, तो उन्होंने पाया कि प्रत्येक एक हजार विशेष रूप से उत्पादित म्यूऑन जोड़ों के लिए, लगभग नौ मामले ऐसे थे जहाँ एक ही टकराव में एक रो मेसॉन भी बनाया गया था। उच्च सटीकता के साथ मापा गया यह विशिष्ट अनुपात पुष्टि करता है कि ये बहु-फोटॉन प्रक्रियाएं अल्ट्रा-पैरिफेरल (अति-परिधीय) टकरावों की एक वास्तविक और मापने योग्य विशेषता हैं। अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि इस दोहरी घटना की संभावना म्यूऑन्स की ऊर्जा और गति के आधार पर बदल जाती है, जो अंतःक्रिया की ज्यामिति के बारे में और अधिक सुराग प्रदान करती है। ये निष्कर्ष उन सैद्धांतिक भविष्यवाणियों को मान्य करते हैं कि ऐसी जटिल, समवर्ती अंतःक्रियाएं इतनी बार होती हैं कि उनका विस्तार से अध्ययन किया जा सके। यह मानचित्रण करना कि ये घटनाएं कितनी बार और किन परिस्थितियों में होती हैं, यह डेटा प्रदान करता है कि फोटॉन-प्रेरित प्रक्रियाएं टकराने वाले नाभिकों के बीच की दूरी पर कैसे निर्भर करती है, जिससे उप-परमाणु दुनिया को नियंत्रित करने वाले विद्युत चुम्बकीय बलों के बारे में हमारी समझ गहरी होती है।
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