Multiplicity dependence of K production in pp collisions at = 13 TeV
यह शोध पत्र TeV पर pp टकरावों में घटना बहुलता (event multiplicity) के फलन के रूप में K उत्पादन के पहले मापन प्रस्तुत करता है, जो उच्च-बहुलता वाली घटनाओं में K/K यील्ड अनुपात के महत्वपूर्ण 7 दमन को प्रकट करता है जिसे बिना हैड्रोनिक आफ्टरबर्नर्स के EPOS-LHC मॉडल द्वारा अच्छी तरह से वर्णित किया गया है।
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लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर के हृदय में, जहाँ प्रोटॉन प्रकाश की गति के करीब की गति से आपस में टकराते हैं, भौतिक विज्ञानी यह समझने की कोशिश कर रहे हैं कि ब्रह्मांड स्वयं को बुनियादी स्तर से कैसे बनाता है। जब ये सूक्ष्म कण आपस में टकराते हैं, तो वे क्वार्क और ग्लूऑन नामक मौलिक निर्माण खंडों का एक क्षणभंगुर, अत्यंत गर्म 'सूप' (द्रव) बनाते हैं। जैसे ही यह सूप ठंडा होता है, यह हमारे आस-पास की दुनिया बनाने वाले स्थिर कणों, जैसे कि प्रोटॉन और न्यूट्रॉन में जम जाता है। हालाँकि, इस गर्म सूप से ठोस पदार्थ में परिवर्तन तात्कालिक नहीं होता है। एक संक्षिप्त, अराजक मध्य चरण होता है जहाँ कण एक-दूसरे से टकराते हैं, ऊर्जा का आदान-प्रदान करते हैं और दिशा बदलते हैं, इससे पहले कि वे अंततः स्थिर हो जाएं। इस मध्य चरण का अध्ययन करने के लिए, वैज्ञानिक विशिष्ट, अल्पजीवी कणों की तलाश करते हैं जो संदेशवाहकों (messengers) की तरह कार्य करते हैं। ये संदेशवाहक जन्म लेते हैं, एक सेकंड के बहुत छोटे अंश के लिए यात्रा करते हैं, और फिर अन्य कणों में क्षय (decay) हो जाते हैं। इन संदेशवाहकों की यात्रा में कितने जीवित बच पाते हैं, इसे मापकर, शोधकर्ता यह पता लगा सकते हैं कि वह अराजक मध्य चरण कितनी देर तक चला और वह कितना घना था।
CERN में ALICE डिटेक्टर का उपयोग करने वाले एक शोधकर्ता ने अब प्रोटॉन के बीच होने वाले टकरावों में ऐसे ही एक संदेशवाहक, जिसे K-स्टार (K-star) नामक कण के रूप में जाना जाता है, पर बारीकी से नज़र डाली है। जबकि प्रोटॉन उन भारी परमाणु नाभिकों की तुलना में बहुत छोटे होते हैं जिन्हें आमतौर पर इन प्रयोगों में टकराया जाता है, हालिया अवलोकनों से पता चलता है कि इन छोटे टकरावों में भी, उस गर्म सूप का एक समान, हालांकि छोटा संस्करण, बन सकता है। टीम ने इस बात पर ध्यान केंद्रित किया कि K-स्टार का उत्पादन तब कैसे बदलता है जब टकराव अधिक घने बनाम कम घने होते हैं। उन्होंने पाया कि सबसे घने प्रोटॉन टकरावों में, इन अल्पजीवी संदेशवाहकों की संख्या एक अधिक स्थिर कण, जिसे K-जीरो (K-zero) कहा जाता है, की तुलना में काफी कम हो जाती है। यह गिरावट इस बात का एक मजबूत संकेत है कि K-स्टार के क्षय उत्पाद (decay products) टकराव क्षेत्र के अन्य कणों द्वारा बिखेरे (scattered) जा रहे हैं, जिससे बाद में K-स्टार का पुनर्निर्माण करना असंभव हो जाता है। यह अवलोकन छोटे टक्कर प्रणालियों में K-स्टार से K-जीरो के अनुपात में महत्वपूर्ण कमी का पहला स्पष्ट प्रमाण प्रदान करता है, जो इस निरंतर जांच में योगदान देता है कि क्या इस तरह का जटिल व्यवहार, जो आमतौर पर विशाल भारी-आयन टकरावों से जुड़ा है, छोटे सिस्टम में भी हो सकता है।
शोधकर्ता ने 13 टेरा-इलेक्ट्रॉन-वोल्ट की द्रव्यमान-ऊर्जा (center-of-mass energy) पर हुए अरबों प्रोटॉन टकरावों के डेटा का विश्लेषण किया। उन्होंने इन घटनाओं को उत्पादित आवेशित कणों की संख्या के आधार पर विभिन्न समूहों में वर्गीकृत किया, जिसमें बहुत कम कणों वाले विरल टकरावों से लेकर अत्यधिक घने टकरावों तक शामिल थे। प्रत्येक समूह के लिए, उन्होंने अपने क्षय उत्पादों: एक आवेशित पायोन (pion) और एक तटस्थ K-जीरो कण को देखकर K-स्टार कणों का पुनर्निर्माण किया। चूँकि K-स्टार बहुत कम समय के लिए जीवित रहता है, इसलिए इसे सीधे नहीं देखा जा सकता है; इसके बजाय, वैज्ञानिक को इसके 'बच्चों' द्वारा छोड़े गए निशानों (tracks) से इसे फिर से जोड़ना पड़ा। उन्होंने संदर्भ बिंदु के रूप में उन्हीं घटनाओं में स्थिर K-जीरो कणों के उत्पादन को भी मापा। विभिन्न स्तरों के घनत्व (crowding) के बीच K-स्टार और K-जीरो के अनुपात की तुलना करके, वे देख सके कि वातावरण ने इन अल्पजीवी कणों को कैसे प्रभावित किया।
परिणामों ने एक स्पष्ट और नाटकीय रुझान दिखाया। जैसे-जैसे टकराव अधिक घने होते गए, K-स्टार से K-जीरो का अनुपात घटता गया। सबसे घने आयोजनों में, यह अनुपात सबसे कम घने आयोजनों की तुलना में काफी कम था। शोधकर्ता ने गणना की कि यह गिरावट कोई यादृच्छिक उतार-चढ़ाव नहीं बल्कि एक वास्तविक भौतिक प्रभाव था, जिसकी सांख्यिकीय निश्चितता 7σ (सिग्मा) स्तर के अनुरूप थी, जिसका अर्थ है कि इसके संयोग से होने की संभावना नगण्य है। K-स्टार सिग्नल का यह दमन सुझाव देता है कि घने आयोजनों में, K-स्टार के क्षय उत्पाद पहचान किए जाने से पहले ही टकराव क्षेत्र के अन्य कणों से टकरा रहे हैं। ये टकराव मूल कण के पुनर्निर्माण के लिए आवश्यक जानकारी को अस्त-व्यस्त कर देते हैं, जिससे वह प्रभावी रूप से डिटेक्टरों से छिप जाता है। इस प्रक्रिया को 'रीस्कैटरिंग' (rescattering) कहा जाता है। तथ्य यह है कि यह प्रोटॉन टकरावों में होता है, यह दर्शाता है कि इन छोटे सिस्टम में भी, एक पर्याप्त घना वातावरण मौजूद है जहाँ ये परस्पर क्रियाएं हो सकती हैं, जिससे एक अल्पजीवी 'हैड्रोनिक फेज' बनता है जहाँ कण एक-दूसरे के साथ दृढ़ता से अंतःक्रिया करते हैं।
यह समझने के लिए कि क्या यह एक नई खोज थी या केवल एक ज्ञात प्रभाव, शोधकर्ता ने अपने निष्कर्षों की तुलना कण टकरावों को सिम्युलेट करने के लिए उपयोग किए जाने वाले कई कंप्यूटर मॉडलों के साथ की। इनमें से कुछ मॉडल, जो कणों की परस्पर क्रिया के मानक सिद्धांतों पर आधारित हैं, भविष्यवाणी करते हैं कि अनुपात अपेक्षाकृत स्थिर रहना चाहिए या उच्च बहुलता (multiplicity) पर मानों को बढ़ाकर बताते हैं, जिससे वे देखे गए ड्रॉप (गिरावट) से मेल खाने में विफल रहते हैं। वे मॉडल डेटा से मेल खाने में विफल रहे। हालाँकि, EPOS-LHC नामक एक मॉडल, जिसमें ऊर्जा की स्ट्रिंग्स (strings) के घने कोर में ओवरलैप होने और परस्पर क्रिया करने की एक प्रक्रिया शामिल है, ने अनुपात में देखी गई गिरावट को सफलतापूर्वक पुनरुत्पादित किया। इस मॉडल को कणों की बाद की अंतःक्रियाओं को सिम्युलेट करने के लिए किसी विशेष "आफ्टरबर्नर" (afterburner) की आवश्यकता नहीं है; दमन स्वाभाविक रूप से उस तरीके से उभरता है जिससे मॉडल टकराव के घने कोर को संभालता है। यह सुझाव देता है कि दमन टक्कर क्षेत्र में कणों के उच्च घनत्व का एक स्वाभाविक परिणाम है।
शोधकर्ता ने यह भी देखा कि कणों की गति के साथ यह प्रभाव कैसे बदलता है। उन्होंने पाया कि दमन धीमी गति से चलने वाले कणों के लिए सबसे अधिक था। तेज़ गति से चलने वाले कण कम प्रभावित थे, संभवतः इसलिए क्योंकि वे घने माध्यम से इतनी तेज़ी से निकल जाते हैं कि बिखर (scatter) न सकें। यह विवरण इस विचार के अनुरूप है कि रीस्कैटरिंग प्रक्रिया में समय लगता है; धीमे कण घने वातावरण में अधिक समय बिताते हैं, जिससे उन्हें दूसरों से टकराने और अपनी पहचान खोने के अधिक अवसर मिलते हैं। शोधकर्ता ने यह भी नोट किया कि जबकि टकराव के घनत्व के साथ उत्पन्न कणों की कुल संख्या बढ़ती है, कणों की औसत गति भी बढ़ जाती है, जो बड़े, भारी-आयन टकरावों में अक्सर देखी जाने वाली एक घटना है और आमतौर पर सिस्टम के सामूहिक विस्तार (collective expansion) के कारण होती है।
यह अध्ययन उच्च-ऊर्जा टकरावों में पदार्थ की प्रकृति को समझने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है। प्रोटॉन-प्रोटॉन टकरावों में अल्पजीवी अनुनाद (resonances) के स्पष्ट दमन को प्रदर्शित करके, ALICE सहयोग ने इस बात के पुख्ता सबूत दिए हैं कि पदार्थ का जटिल, तरल जैसा व्यवहार केवल भारी परमाणु नाभिकों के विशाल टकरावों तक ही सीमित नहीं है। परिणाम बताते हैं कि सबसे छोटे टक्कर सिस्टम में भी, पदार्थ का एक घना, परस्पर क्रिया करने वाला चरण बन सकता है, जो अस्थिर कणों के क्षय उत्पादों को बिखने के लिए पर्याप्त समय तक बना रहता है। जबकि डेटा इस चरण के अस्तित्व का पुरजोर समर्थन करता है, शोधकर्ता स्वीकार करते हैं कि इस माध्यम की सटीक प्रकृति और इस चरण की अवधि अभी भी निरंतर जांच के विषय हैं। कुछ कंप्यूटर मॉडलों की इन परिणामों को बिना किसी स्पष्ट 'हैड्रोनिक फेज' को जोड़े पुनरुत्पादित करने की क्षमता यह दर्शाती है कि अंतर्निहित भौतिकी जटिल है, और क्या इन छोटे सिस्टम में वास्तव में 'क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा' बनता है, यह प्रश्न अभी भी खुला है। फिर भी, इतनी उच्च स्तर की सटीकता के साथ इस दमन का अवलोकन, ब्रह्मांड में पदार्थ के निर्माण के शुरुआती क्षणों की जांच के लिए एक नया और सटीक उपकरण प्रदान करता है।
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