Evidence of nuclear geometry-driven anisotropic flow in OO and Ne$-$Ne collisions at $\mathbf{\sqrt{{\textit s}_{\rm\mathbf {NN}}}}$ = 5.36 TeV

ब्रह्मांड के शुरुआती क्षणों में, बिग बैंग के ठीक बाद, पदार्थ ऐसी अवस्था में था जो आज हम देखते हैं उससे बिल्कुल अलग थी। यह मूलभूत कणों, जिन्हें क्वार्क और ग्लूऑन कहा जाता है, का एक उबलता हुआ, अत्यधिक गर्म सूप था, जो सामान्यतः प्रोटॉन और न्यूट्रॉन बनाने के लिए एक साथ बंधे होते हैं। भौतिक विज्ञानी इस अवस्था को क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा कहते हैं। इस आदिम सूप के व्यवहार को समझने के लिए, वैज्ञानिक भारी परमाणु नाभिकों को लगभग प्रकाश की गति से आपस में टकराते हैं, जिससे इन चरम स्थितियों को एक क्षण के लिए पुन: निर्मित किया जा सके। जब ये टकराव होते हैं, तो कण विशिष्ट पैटर्न में बाहर निकलते हैं। यदि कण एक समन्वित तरीके से एक साथ चलते हैं, जैसे कि वे बिलियर्ड बॉल्स की तरह एक-दूसरे से टकराने के बजाय एक तरल की तरह बह रहे हों, तो यह सुझाव देता है कि इस प्लाज्मा की एक छोटी बूंद बन गई है। इस समन्वित गति को "प्रवाह" (फ्लो) कहा जाता है, और यह इस बात का सबसे मजबूत प्रमाण है कि इन टकरावों में बना पदार्थ एक लगभग आदर्श तरल की तरह व्यवहार करता है।

दशकों तक, शोधकर्ताओं ने इस प्लाज्मा की सबसे बड़ी बूंदें बनाने के लिए उपलब्ध सबसे भारी परमाणुओं, जैसे कि लेड या गोल्ड, को आपस में टकराने पर ध्यान केंद्रित किया। हालाँकि, एक अनसुलझा प्रश्न बना रहा: क्या ऐसे तरल का निर्माण बहुत छोटे टकरावों में भी हो सकता है, जिसमें हल्के परमाणुओं का उपयोग किया गया हो? यदि बूंद बहुत छोटी है, तो शायद इसमें इस तरल जैसे व्यवहार को विकसित करने के लिए पर्याप्त समय या स्थान नहीं होगा। इसका उत्तर देने के लिए, वैज्ञानिकों ने दो विशिष्ट हल्के परमाणुओं: ऑक्सीजन और नियोन की ओर रुख किया। हालांकि दोनों छोटे हैं, लेकिन उनके आंतरिक आकार अलग-अलग हैं। ऑक्सीजन परमाणु एक विशिष्ट, कठोर ज्यामितीय पैटर्न में व्यवस्थित होते हैं, जबकि नियोन परमाणु कुछ हद तक बॉलिंग पिन के आकार के होते हैं। इन परमाणुओं को स्वयं से ही टकराकर, शोधकर्ता यह परीक्षण कर सकते थे कि क्या शुरूआती परमाणुओं का विशिष्ट आकार कणों के अंतिम प्रवाह पर अपनी छाप छोड़ता है, जो यह सिद्ध करता है कि इन बहुत छोटी प्रणालियों में भी पदार्थ सामूहिक रूप से व्यवहार करता है।

लार्ज हैड्रोन कोलाइडर में ALICE सहयोग ने हाल ही में ऑक्सीजन और नियोन नाभिकों के टकराव में इस घटना के पहले मापन किए हैं। उन्होंने ऑक्सीजन-ऑक्सीजन के अरबों टकरावों और नियोन-नियोन के करोड़ों टकरावों से डेटा एकत्र किया, जो सभी 5.36 TeV के प्रति न्यूक्लिऑन जोड़ी के केंद्र-द्रव्यमान ऊर्जा पर हुए थे। टीम ने यह मापने पर ध्यान केंद्रित किया कि टकराव के बाद कण विभिन्न दिशाओं में कैसे फैलते हैं। उन्होंने दो विशिष्ट पैटर्न देखे: एक दीर्घवृत्ताकार प्रवाह (एलिप्टिकल फ्लो), जहाँ कण एक अंडाकार आकार में चलते हैं, और एक त्रिकोणीय प्रवाह (ट्राइएंगुलर फ्लो), जहाँ वे तीन कोनों वाले तारे के आकार में चलते हैं। ये पैटर्न यादृच्छिक नहीं हैं; ये टकराव के समय ओवरलैपिंग नाभिकों के प्रारंभिक आकार द्वारा संचालित होते हैं। यदि शुरुआती परमाणु बॉलिंग पिन के आकार के हैं, तो परिणामी तरल उस पिन के आकार को प्रतिबिंबित करने वाले तरीके से विस्तारित होगा।

परिणामों ने इस सामूहिक व्यवहार के स्पष्ट संकेत दिखाए। ऑक्सीजन और नियोन दोनों टकरावों में, कणों ने अपेक्षित दीर्घवृत्ताकार और त्रिकोणीय प्रवाह प्रदर्शित किया। महत्वपूर्ण रूप से, प्रवाह की ताकत इस बात पर निर्भर करती थी कि टकराव कितना केंद्रीय था—अर्थात, दोनों नाभिक एक-दूसरे से कितनी सीधे टकराए। सबसे प्रत्यक्ष, केंद्रीय टकरावों में, नियोन-नियोन टकरावों ने ऑक्सीजन-ऑक्सीजन की तुलना में अधिक मजबूत दीर्घवृत्ताकार प्रवाह उत्पन्न किया। यह अंतर दोनों परमाणुओं के ज्ञात आकारों के साथ पूरी तरह मेल खाता है। चूंकि नियोन में ऑक्सीजन की तुलना में अधिक स्पष्ट लंबा आकार होता है, इसलिए नियोन टकरावों में बना तरल उस दिशा में अधिक मजबूती से फैलता है। यह अवलोकन पुष्टि करता है कि टकराने वाले नाभिकों की प्रारंभिक ज्यामिति प्रवाह को संचालित करती है, यहाँ तक कि इन बहुत छोटी प्रणालियों में भी।

इन निष्कर्षों को सत्यापित करने के लिए, शोधकर्ताओं ने अपने मापन की तुलना परिष्कृत कंप्यूटर सिमुलेशन से की, जिसमें ऑक्सीजन और नियोन परमाणुओं की आंतरिक संरचना के विस्तृत मॉडल शामिल थे। उन्नत परमाणु भौतिकी सिद्धांतों से प्राप्त इन मॉडलों ने भविष्यवाणी की कि ऑक्सीजन परमाणुओं में उनके आंतरिक भागों की एक टेट्राहेड्रल (चतुष्फलकीय) व्यवस्था होती है, जबकि नियोन परमाणु एक बॉलिंग पिन जैसी संरचना बनाते हैं। उन सिमुलेशन ने, जिन्होंने टकराव को एक तरल के हाइड्रोडायनामिक विस्तार के रूप में माना, प्रयोगात्मक डेटा के साथ उल्लेखनीय रूप से सटीक मेल खाया। यह मिलान इतना सटीक था कि इसने भारी नाभिकों के पिछले अध्ययनों की सटीकता को भी पीछे छोड़ दिया। यह मिलान बताता है कि हल्के आयन टकरावों में बना पदार्थ वास्तव में एक तरल है जो हाइड्रोडायनामिक्स के नियमों द्वारा नियंत्रित होता है, और टकराने वाले परमाणुओं की ज्यामितीय आकृतियों पर सीधे प्रतिक्रिया करता है।

अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि त्रिकोणीय प्रवाह, जो नाभिकों के भीतर कणों की व्यवस्था में यादृच्छिक उतार-चढ़ाव से उत्पन्न होता है, दीर्घवृत्ताकार प्रवाह से भिन्न व्यवहार करता था। केंद्रीय टकरावों में, त्रिकोणीय प्रवाह ऑक्सीजन की तुलना में नियोन में कमजोर था, एक ऐसा परिणाम जिसे सिमुलेशन ने भी पकड़ा। यह अंतर ऑक्सीजन परमाणु की अद्वितीय आंतरिक संरचना को उजागर करता है, जो प्रारंभिक टकराव क्षेत्र में एक बड़ा त्रिकोणीय विरूपण पैदा करता है। दोनों प्रणालियों की सीधे तुलना करके, शोधकर्ता उन कई भ्रमित करने वाले कारकों को दूर करने में सक्षम हुए जो आमतौर पर इन मापों को जटिल बना देते हैं, जिससे नाभिक के आकार के प्रभाव को अलग किया जा सका।

ये निष्कर्ष इस बात का पुख्ता प्रमाण प्रदान करते हैं कि क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा बहुत छोटी प्रणालियों में भी बन सकता है, बशर्ते कि टकराव की ऊर्जा पर्याप्त उच्च हो। तथ्य यह है कि प्रवाह पैटर्न ऑक्सीजन और नियोन के विशिष्ट आकारों के प्रति इतने संवेदनशील हैं, यह सुझाव देता है कि ये टकराव परमाणु नाभिकों की संरचना का अध्ययन करने का एक नया, शक्तिशाली तरीका प्रदान करते हैं। केवल कम ऊर्जा पर नाभिकों के व्यवहार को देखने के बजाय, वैज्ञानिक अब उच्च-ऊर्जा टकरावों का उपयोग करके उनके भीतर कणों की व्यवस्था की "इमेजिंग" कर सकते हैं। डेटा पुष्टि करता है कि नाभिकों की प्रारंभिक ज्यामिति ही प्रवाह का प्राथमिक चालक है, और परिणामी पदार्थ एक लगभग आदर्श तरल के रूप में फैलता है। यह कार्य भारी आयनों के अध्ययन और छोटी प्रणालियों के बीच के अंतर को पाटता है, यह दिखाते हुए कि सामूहिक तरल व्यवहार का उदय क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स (QCD)—उस सिद्धांत का एक सुदृढ़ लक्षण है जो पदार्थ को थामे रखने वाले प्रबल बल का वर्णन करता है।