Observation of long-range collective flow in OO and NeNe collisions and implications for nuclear structure studies
LHC पर CMS सहयोग ने 5.36 TeV पर ऑक्सीजन-ऑक्सीजन और नियोन-नियोन टकरावों में महत्वपूर्ण दीर्घ-परासी सामूहिक प्रवाह (long-range collective flow) के प्रथम अवलोकन की सूचना दी है, जो यह प्रदर्शित करता है कि मापे गए प्रवाह हार्मोनिक्स (flow harmonics) और उनके अनुपात O और Ne की अंतर्निहित परमाणु संरचनाओं के प्रति संवेदनशील हैं और *ab initio* परमाणु इनपुट को शामिल करने वाले हाइड्रोडायनामिक मॉडलों के लिए नए प्रतिबंध प्रदान करते हैं।
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पदार्थ के हृदय की गहराइयों में, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन ठोस, अपरिवर्तनीय गोले नहीं हैं। वे क्वार्क और ग्लूऑन नामक और भी छोटे कणों के गतिशील संग्रह हैं, जो एक ऐसे बल से जुड़े होते हैं जो इतनी प्रबल है कि रोजमर्रा की सहज बुद्धि को चुनौती देती है। सामान्य परिस्थितियों में, ये कण परमाणु नाभिक के भीतर मजबूती से बंधे होते हैं। हालांकि, भौतिकविदों ने लंबे समय से भविष्यवाणी की है कि यदि पर्याप्त ऊर्जा को एक बहुत छोटे स्थान में समाहित कर दिया जाए, तो इस बंधन बल को पार किया जा सकता है, जिससे पदार्थ पिघलकर एक उबलते हुए, तरल जैसे सूप में बदल जाता है जिसे 'क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा' कहा जाता है। माना जाता है कि पदार्थ की यह अवस्था केवल बिग बैंग के एक सेकंड के कुछ अंशों तक अस्तित्व में थी, इससे पहले कि ब्रह्मांड इतना ठंडा हो गया कि परमाणु बन सकें। इस आदिम अवस्था का अध्ययन करने के लिए, वैज्ञानिक भारी परमाणु नाभिकों को लगभग प्रकाश की गति से टकराते हैं, जिससे नियंत्रित वातावरण में उन चरम स्थितियों को फिर से बनाया जा सके। इन टकरावों से निकलने वाले मलबे के बिखरने के तरीके को देखकर, शोधकर्ता उस तरल के गुणों का अनुमान लगा सकते हैं जो टक्कर के केंद्र में क्षण भर के लिए अस्तित्व में था। इस तरल व्यवहार का सबसे स्पष्ट संकेतों में से एक 'कलेक्टिव फ्लो' (सामूहिक प्रवाह) नामक घटना है, जहाँ हजारों कण समन्वित पैटर्न में चलते हैं, जैसे कि वे व्यक्तिगत टुकड़ों के अराजक छिड़काव के बजाय एक एकल, फैलते हुए तरल का हिस्सा हों।
वर्षों तक, यह तरल व्यवहार मुख्य रूप से बहुत भारी परमाणुओं, जैसे कि लेड (सीसा) या गोल्ड (सोना) से जुड़ी टक्करों में देखा गया था। ये विशाल नाभिक पदार्थ का एक बड़ा आयतन प्रदान करते हैं, जिससे क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा का निर्माण पता लगाना और अध्ययन करना आसान हो जाता है। लेकिन एक अनसुलझा प्रश्न बना हुआ था: क्या यह तरल अवस्था बहुत छोटे तंत्रों में भी बन सकती है? हाल के प्रयोगों ने सुझाव दिया है कि हल्के परमाणुओं के बीच, या यहाँ तक कि एक अकेले प्रोटॉन और एक नाभिक के बीच होने वाली टक्कर भी, इस विलक्षण प्लाज्मा की छोटी बूंदें बना सकती है। इन छोटे तंत्रों के साथ चुनौती यह है कि उनकी व्याख्या करना कठिन होता है। दो भारी परमाणुओं के बीच के टकराव में, प्रारंभिक आकार लगभग गोलाकार और सुस्थापित होता है। छोटी टक्करों में, कणों की प्रारंभिक व्यवस्था अधिक जटिल होती है और एक टकराव से दूसरे टकराव में बहुत अधिक बदल जाती है, जिससे प्रारंभिक आकार के प्रभावों को स्वयं तरल के व्यवहार से अलग करना कठिन हो जाता है। इस पहेली को सुलझाने के लिए, एक शोधकर्ता ने दो विशिष्ट, हल्के आयनों की ओर रुख किया: ऑक्सीजन और नियोन। ये दोनों तत्व आवर्त सारणी में पड़ोसी हैं और समान द्रव्यमान रखते हैं, जिसका अर्थ है कि यदि केवल उनका आकार मायने रखता, तो वे टकराव में समान व्यवहार करते। हालांकि, सिद्धांत बताता है कि उनकी आंतरिक आकृतियाँ भिन्न हैं। यदि एक शोधकर्ता यह माप सके कि इन दो अलग-अलग आयनों को आपस में टकराने पर वे कैसे व्यवहार करते हैं, तो वे यह देख पाएंगे कि परमाणु की आंतरिक संरचना क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा के निर्माण को कैसे प्रभावित करती है।
स्विट्जरलैंड में स्थित लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर के CMS डिटेक्टर का उपयोग करने वाले एक शोधकर्ता ने हाल ही में ठीक इसी तरह का प्रयोग किया। उन्होंने ऑक्सीजन आयनों और नियोन आयनों की किरणों को एक-दूसरे की ओर निर्देशित किया, जिससे प्रति युग्म न्यूक्लियॉन के द्रव्यमान केंद्र ऊर्जा के 5.36 टेरा-इलेक्ट्रॉनवोल्ट पर टकराव पैदा हुआ। अपने कार्यकाल के दौरान, उन्होंने लाखों ऑक्सीजन-ऑक्सीजन टकरावों और सैकड़ों हजार नियोन-नियोन टकरावों से डेटा एकत्र किया। डिटेक्टर, जो टकराव बिंदु के चारों ओर फैला एक विशाल उपकरण है, इन टकरावों में उत्पन्न आवेशित कणों के पथ को ट्रैक करता है। वैज्ञानिक ने यह मापने पर ध्यान केंद्रित किया कि टक्कर बिंदु से दूर जाते समय ये कण कोण के आधार पर कैसे वितरित होते हैं। विशेष रूप से, उन्होंने कोणों की एक विस्तृत श्रृंखला में कणों के प्रवाह में पैटर्न की तलाश की, जिसमें 'एलिप्टिक फ्लो' (दीर्घवृत्ताकार प्रवाह) की खोज की गई, जहाँ कण एक अंडाकार आकार में चलना पसंद करते हैं, और 'ट्रायंगुलर फ्लो' (त्रिकोणीय प्रवाह), जहाँ वे तीन-कोणीय पैटर्न में चलते हैं। ये पैटर्न एक ऐसे तरल के फिंगरप्रिंट हैं जो टकराव के प्रारंभिक आकार के प्रति प्रतिक्रिया करता है।
परिणाम स्पष्ट और महत्वपूर्ण थे। ऑक्सीजन और नियोन दोनों टकरावों में, शोधकर्ता ने सामूहिक प्रवाह के पुख्ता प्रमाण देखे। कण बेतरतीब ढंग से नहीं बिखरे; इसके बजाय, उन्होंने एक तरल की विशेषता वाले समन्वित संचलन का प्रदर्शन किया। इसने पुष्टि की कि इन छोटे तंत्रों में भी, जिनमें केवल 16 या 20 न्यूक्लियॉन शामिल हैं, क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा की एक बूंद वास्तव में बनती है। शोधकर्ता ने विभिन्न टकराव परिदृश्यों में इन प्रवाह पैटर्न की ताकत को मापा, जिसमें हल्की टक्करों से लेकर आमने-सामने के पूर्ण टकराव तक शामिल थे। उन्होंने पाया कि प्रवाह पैटर्न इस तरह से बदले कि वे टकराव की ज्यामिति के प्रति प्रतिक्रिया करने वाले तरल की अपेक्षाओं से मेल खाते थे। सबसे केंद्रीय टकरावों में, जहाँ दो नाभिकों का ओवरलैप सबसे अधिक होता है, वहां प्रवाह पैटर्न विशिष्ट और सुदृढ़ थे।
जो चीज़ इस अध्ययन को विशेष रूप से शक्तिशाली बनाती थी, वह थी दो प्रकार के आयनों के बीच की तुलना। चूंकि ऑक्सीजन और नियोन का द्रव्यमान समान है, इसलिए उनके प्रवाह पैटर्न में कोई भी अंतर टकराव के आकार के कारण नहीं माना जा सकता। इसके बजाय, अंतर परमाणुओं की आंतरिक संरचना से आना चाहिए। सैद्धांतिक मॉडल भविष्यवाणी करते हैं कि ऑक्सीजन नाभिक लगभग गोलाकार है, जबकि नियोन नाभिक का आकार अधिक जटिल और विकृत है, जिसे अक्सर प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की व्यवस्था के कारण "बॉलिंग पिन" संरचना के रूप में वर्णित किया जाता है। जब शोधकर्ता ने दोनों प्रणालियों के प्रवाह डेटा की तुलना की, तो उन्होंने पाया कि नियोन टकराव में ऑक्सीजन की तुलना में प्रवाह का अनुपात इस बात पर निर्भर करता था कि टकराव कितना केंद्रीय था। सबसे केंद्रीय टकरावों में, नियोन टकरावों में ऑक्सीजन की तुलना में प्रवाह काफी अधिक मजबूत था। यह प्रवृत्ति बताती है कि नियोन नाभिक का विकृत आकार उस तरल पर एक विशिष्ट छाप छोड़ता है जिसे वह बनाता है। प्रारंभिक आकार जितना अधिक विकृत होगा, प्रवाह पैटर्न उतना ही स्पष्ट होगा।
इस व्याख्या का परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ता ने अपने डेटा की तुलना उन्नत कंप्यूटर सिमुलेशन के साथ की, जिसमें परमाणु संरचना के आधुनिक सिद्धांतों को शामिल किया गया था। इन सिमुलेशन ने ऑक्सीजन और नियोन नाभिकों के भीतर प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की व्यवस्था के विस्तृत गणनाओं का उपयोग किया ताकि यह भविष्यवाणी की जा सके कि टकराव कैसा दिखेगा। उन सिमुलेशनों ने, जिनमें नियोन के लिए इन विशिष्ट, विकृत आकारों को शामिल किया गया था, प्रयोगात्मक डेटा में देखे गए सामान्य रुझानों को सफलतापूर्वक दोहराया। उन्होंने सफलतापूर्वक कैप्चर किया कि कैसे पेरिफेरल (परिधीय) से सेंट्रल (केंद्रीय) टकरावों में प्रवाह अनुपात बदलता है। हालांकि, मॉडल पूर्ण नहीं थे; वे समग्र व्यवहार का वर्णन तो कर सकते थे लेकिन हर विवरण में सटीक संख्या से मेल नहीं खा रहे थे। यह इंग दर्शाता है कि हालांकि सूक्ष्म नाभिकों के व्यवहार और तरल के साथ उनके संपर्क का मूल विचार सही है, फिर भी इन मॉडलों को और अधिक परिष्कृत करने की आवश्यकता है। डेटा ने भौतिकविदों को नए, सख्त प्रतिबंध प्रदान किए, जिससे उन्हें इन हल्के आयनों के विशिष्ट आंतरिक आकारों को ध्यान में रखने के लिए मजबूर होना पड़ा।
यह कार्य क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा के सबसे छोटे संभव बूंदों को समझने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है। यह प्रदर्शित करता है कि पदार्थ का सामूहिक व्यवहार केवल सबसे बड़े परमाणु नाभिकों तक सीमित नहीं है, बल्कि ऑक्सीजन और नियोन के पैमाने तक विस्तृत है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि यह दिखाता है कि उच्च-ऊर्जा टकराव परमाणु संरचना के लिए एक सूक्ष्मदर्शी के रूप में कार्य कर सकते हैं। यह देखकर कि तरल कैसे बहता है, एक वैज्ञानिक उस नाभिक के आकार का अनुमान लगा सकता है जिसने इसे बनाया है, एक ऐसी तकनीक जो पदार्थ की मौलिक वास्तुकला का अध्ययन करने का एक नया तरीका प्रदान करती है। निष्कर्ष बताते हैं कि प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की आंतरिक व्यवस्था केवल एक स्थिर पृष्ठभूमि नहीं है, बल्कि ब्रह्मांड की सबसे चरम अवस्थाओं के निर्माण में एक सक्रिय भागीदार है। हालांकि परमाणु आकारों के सटीक विवरण और उनके तरल गतिकी पर अभी भी काम चल रहा है, लेकिन यह अवलोकन कि ये छोटे तंत्र तरल की तरह व्यवहार करते हैं और उनका व्यवहार उनकी आंतरिक संरचना के प्रति संवेदनशील है, डेटा से निकाला गया एक दृढ़ निष्कर्ष है। यह अध्ययन क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा के अन्वेषण में एक नया अध्याय खोलता है, जो यह सिद्ध करता है कि सबसे छोटे टकराव भी ब्रह्मांड के भव्य गुणों को प्रकट कर सकते हैं।
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