Measurement of the p$-\Sigma^+$ correlation function in pp collisions at $\sqrt{\textit{s}}=13$ TeV

पदार्थ के हृदय की गहराइयों में, जहाँ प्रोटॉन और न्यूट्रॉन मिलकर परमाणुओं के नाभिक बनाते हैं, वहाँ हाइपरॉन नामक कणों से जुड़ी जटिलता की एक छिपी हुई परत मौजूद है। ये प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के ही चचेरे भाई हैं, लेकिन इनमें "स्ट्रेंजनेस" (strangeness) नामक एक गुण होता है, जो उन्हें भारी और अस्थिर बनाता है। हाइपरॉन साधारण प्रोटॉन के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, इसे समझना केवल उप-परमाणु दुनिया के बारे में जिज्ञासा का विषय नहीं है; यह एक ब्रह्मांडीय रहस्य को सुलझाने के लिए आवश्यक है। न्यूट्रॉन सितारों के घने, दमनकारी केंद्रों में, जहाँ पदार्थ इतना सघन होता है कि एक चम्मच पदार्थ का भार अरबों टन होगा, भौतिकविदों का मानना है कि वहाँ हाइपरॉन अवश्य प्रकट होते होंगे। हालाँकि, यदि वे कुछ विशेष तरीकों से बहुत मजबूती से परस्पर क्रिया करते हैं, तो वे इन सितारों को अपने स्वयं के गुरुत्वाकर्षण के कारण ढह जाने पर मजबूर कर देंगे, जिससे वे उस विशाल आकार तक नहीं पहुँच पाएंगे जो खगोलशास्त्री वास्तव में देखते हैं। इस संघर्ष को हल करने के लिए, वैज्ञानिकों को सटीक माप की आवश्यकता है कि हाइपरॉन और प्रोटॉन एक-दूसरे को कैसे धकेलते या खींचते हैं, एक ऐसा कार्य जो कठिन बना हुआ है क्योंकि हाइपरॉन लगभग तुरंत क्षय हो जाते हैं और परस्पर क्रिया करते समय उन्हें पकड़ना मुश्किल होता है।

जेनेवा में लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर के ALICE डिटेक्टर का उपयोग करने वाले एक शोधकर्ता ने पहली बार इस परस्पर क्रिया को मापकर एक बड़ी सफलता हासिल की है। उन्होंने एक विशिष्ट जोड़ी पर ध्यान केंद्रित किया: एक प्रोटॉन और एक धनावेशित हाइपरॉन जिसे $\Sigma^+$ कहा जाता है। इनका अध्ययन करने के लिए, उन्होंने 13 ट्रिलियन इलेक्ट्रॉनवोल्ट की ऊर्जा पर प्रोटॉन को आपस में टकराया, जिससे नए कणों की एक बौछार पैदा हुई। अरबों टकरावों के बीच, उन्होंने उच्च-बहुलता (high-multiplicity) वाली घटनाओं की तलाश की, जहाँ मलबा इतना घना था कि एक प्रोटॉन और एक $\Sigma^+$ हाइपरॉन के पास जन्म लेने की संभावना काफी अधिक थी। चुनौती यह थी कि $\Sigma^+$ तुरंत एक प्रोटॉन और एक तटस्थ पायोन (neutral pion) में क्षय हो जाता है, जो फिर दो फोटॉन में लुप्त हो जाता है। क्योंकि $\Sigma^+$ इतने क्षणिक क्षण के लिए जीवित रहता है, वे इसे सीधे ट्रैक नहीं कर सके। इसके बजाय, उन्होंने एक चतुर पुनर्निर्माण पद्धति का उपयोग किया, जिसमें दृश्य प्रोटॉन और एक फोटॉन को ट्रैक किया गया और दूसरे लुप्त फोटॉन के पथ और संवेग का गणितीय रूप से अनुमान लगाया गया ताकि ठीक से पता लगाया जा सके कि $\Sigma^+$ कहाँ स्थित था।

एक बार जब उन्होंने इन लाखों जोड़ियों की पहचान कर ली, तो उन्होंने विश्लेषण किया कि वे कितनी बार एक-दूसरे के करीब दिखाई देते हैं, तुलना में कि वे कितनी बार तब दिखाई देते जब वे केवल यादृच्छिक पड़ोसी होते। यदि कणों के बीच कोई परस्पर क्रिया नहीं होती, तो उनकी निकटता पूरी तरह से संयोग की बात होती। हालाँकि, डेटा ने एक स्पष्ट पैटर्न प्रकट किया: प्रोटॉन और $\Sigma^+$ हाइपरॉन एक विशिष्ट तरीके से एक-दूसरे से बच रहे थे जो एक प्रतिकर्षण बल (repulsive force) का संकेत देता था। अपने मापों की तुलना विभिन्न सैद्धांतिक मॉडलों के विरुद्ध करके, वे कई लंबे समय से चली आ रही भविष्यवाणियों को खारिज करने में सक्षम रहे। विशेष रूप से, उन्होंने पाया कि यह अंतःक्रिया बहुत अधिक प्रतिकर्षण वाली नहीं है, जैसा कि कुछ पुरानी थ्योरी सुझाव देती थीं, न ही यह आकर्षण वाली है, जैसा कि अन्य मॉडलों ने प्रस्तावित किया था। इसके बजाय, डेटा एक बहुत ही कमजोर प्रतिकर्षण की ओर संकेत करता है। यह सूक्ष्म धक्का इतनी शक्ति रखता है कि यह प्रतिस्पर्धी सिद्धांतों के बीच अंतर कर सके, जिससे अत्यधिक घनत्व पर पदार्थ कैसे व्यवहार करता है, इसकी संभावनाओं के दायरे को प्रभावी रूप से सीमित किया जा सके।

इस खोज का महत्व सघन पदार्थ के 'इक्वेशन ऑफ स्टेट' (equation of state) को सीमित करने की क्षमता में निहित है, जो यह बताता है कि घनत्व बढ़ने पर दबाव कैसे बदलता है। परिणाम बताते हैं कि प्रोटॉन और $\Sigma^+$ हाइपरॉन के बीच प्रतिकर्षण बल बिल्कुल सही है ताकि न्यूट्रॉन सितारों के ढहने को रोका जा सके और साथ ही उन्हें ब्रह्मांड में देखे जाने वाले विशाल पैमानों पर अस्तित्व में रहने की अनुमति दी जा सके। उन्होंने स्कैटरिंग पैरामीटर्स (scattering parameters) की गणना की, जो अनिवार्य रूप से वे संख्याएँ हैं जो इस अंतःक्रिया की शक्ति और सीमा को परिभाषित करती हैं, और इसे उच्च स्तर के विश्वास के साथ किया। उनका विश्लेषण दिखाता है कि यह अंतःक्रिया मेसॉन एक्सचेंज (meson exchange) पर आधारित मॉडलों के एक विशिष्ट वर्ग के अनुरूप है, जबकि उन अन्यों को बाहर करती है जो बहुत अधिक आकर्षण या बहुत अधिक प्रतिकर्षण की भविष्यवाणी करते हैं। यह माप ब्रह्मांड के सबसे चरम वातावरणों को नियंत्रित करने वाले बलों की एक दुर्लभ, प्रत्यक्ष झलक प्रदान करता है, जो एक सैद्धांतिक पहेली को एक मापी गई वास्तविकता में बदल देता है।