⚛️ nuclear experiments

Characterizing the initial state and dynamical evolution in XeXe and PbPb collisions using multiparticle cumulants

CMS डिटेक्टर का उपयोग करते हुए, यह अध्ययन XeXe और PbPb टकरावों में दो और तीन प्रवाह हार्मोनिक्स के मिश्रित-क्रम क्षणों (mixed-order moments) के बीच सहसंबंधों का पहला मापन प्रस्तुत करता है, जो प्रारंभिक-अवस्था की ज्यामिति उतार-चढ़ाव की जांच करने और क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा की गैर-रैखिक हाइड्रोडायनामिक प्रतिक्रिया को सीमित करने के लिए द्वि-जादुई $^{208}$ Pb और त्रिविम विकृत (triaxially deformed) $^{129}$ Xe के विशिष्ट नाभिकीय आकारों का लाभ उठाता है।

मूल लेखक: CMS Collaboration

प्रकाशित 2026-04-09

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CC BY 4.0

मूल लेखक: CMS Collaboration

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

एक बड़ी तस्वीर: "परफेक्ट फ्लूइड" को देखने के लिए नाभिकों को टकराना

कल्पना कीजिए कि आप एक शेफ हैं जो यह समझने की कोशिश कर रहे हैं कि एक नया, बेहद गर्म सूप कैसे व्यवहार करता है। आप इसे केवल देख नहीं सकते; आपको इसमें सामग्रियां फेंकनी होंगी और देखना होगा कि वे कैसे घूमती हैं।

इस शोध पत्र में, CERN (यूरोपीय परमाणु अनुसंधान संगठन) के वैज्ञानिकों ने बिल्कुल यही किया, लेकिन सूप के बजाय, उन्होंने क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा (QGP) बनाया। यह पदार्थ की एक ऐसी अवस्था है जो बिग बैंग के कुछ माइक्रोसेकंड बाद अस्तित्व में थी। यह इतना गर्म और घना है कि प्रोटॉन और न्यूट्रॉन अपने सबसे छोटे हिस्सों (क्वार्क्स और ग्लूऑन्स) के एक "परफेक्ट फ्लूइड" (आदर्श तरल) में पिघल जाते हैं।

इसका अध्ययन करने के लिए, उन्होंने दो प्रकार के परमाणु नाभिकों (atomic nuclei) को लगभग प्रकाश की गति से आपस में टकराया:

लेड (Pb): इसे एक पूरी तरह से गोल, चिकने संगमरमर के रूप में सोचें। यह एक "डबली मैजिक" नाभिक है, जिसका अर्थ है कि यह बहुत स्थिर और गोलाकार है।
जेनॉन (Xe): इसे एक थोड़ा दबे हुए, रग्बी बॉल के आकार की वस्तु के रूप में सोचें। यह "ट्रिएक्सियली डिफॉर्मड" (triaxially deformed) है, जिसका अर्थ है कि यह एक आदर्श गोला नहीं है; यह थोड़ा ऊबड़-खाबड़ और खिंचा हुआ है।

प्रयोग: "आकार बदलने वाला" टकराव

वैज्ञानिक यह देखना चाहते थे कि "सामग्रियों" (नाभिकों) का आकार उनके द्वारा बनाए गए "सूप" (QGP) को कैसे बदलता है।

लेड का टकराव: जब दो आदर्श संगमरमर आमने-सामने टकराते हैं, तो परिणामी अग्निपुंज (fireball) बहुत गोल होता है।
जेनॉन का टकराव: जब दो रग्बी बॉल टकराते हैं, तो परिणामी अग्निपुंज इस बात पर निर्भर करता है कि वे कैसे टकराते हैं। यदि वे अगल-बगल से टकराते हैं, तो अग्निपुंज बहुत अंडाकार होता है। यदि वे सिरों से टकराते हैं, तो यह अधिक गोल होता है। क्योंकि जेनॉन नाभिक ऊबड़-खाबड़ होते हैं, इसलिए हर एक टकराव एक थोड़ा अलग आकार बनाता है।

मापन: "प्रवाह" को सुनना

जब ये नाभिक टकराते हैं, तो परिणामी प्लाज्मा फैलता है। क्योंकि प्रारंभिक आकार पूरी तरह से गोल नहीं होता, इसलिए प्लाज्मा कुछ दिशाओं में अन्य दिशाओं की तुलना में तेजी से फैलता है। इसे एनिसोट्रोपिक फ्लो (anisotropic flow) कहा जाता है।

वैज्ञानिकों ने तीन "हारमोनिक्स" (संगीत के सुरों की तरह) का उपयोग करके इस प्रवाह को मापा:

$v_2$ (एलिप्टिक फ्लो): अंडाकार आकार (जैसे रग्बी बॉल)।
$v_3$ (ट्रायंगुलर फ्लो): त्रिकोणीय आकार (जैसे पिज्जा का एक टुकड़ा)।
$v_4$ (क्वाड्रैंगुलर फ्लो): चार कोनों वाला सितारा जैसा आकार।

नई खोज: कणों का "ग्रुप हग" (समूह आलिंगन)

अतीत में, वैज्ञानिक मुख्य रूप से यह देखते थे कि कणों के जोड़े कैसे चलते हैं। यह शोध पत्र विशेष है क्योंकि इसने 2, 4, 6 और यहाँ तक कि 8 कणों के समूहों के एक साथ चलने का अध्ययन किया।

उपमा: डांस फ्लोर

दो-कण सहसंबंध (Two-particle correlation): कल्पना कीजिए कि आप दो लोगों को नाचते हुए देख रहे हैं। आप देख सकते हैं कि क्या वे एक-दूसरे का हाथ पकड़े हुए हैं।
बहु-कण सहगुणांक (Multiparticle cumulants): अब कल्पना कीजिए कि आप पूरे समूह को नाचते हुए देख रहे हैं। क्या वे सभी एक साथ एक लहर की तरह चल रहे हैं? या वे बस एक-दूसरे से बेतरतीब ढंग से टकरा रहे हैं?

कणों के 4, 6 या 8 समूहों को देखकर, वैज्ञानिक "शोर" (बेतरतीब टक्करों) को छान सके और सामूहिक तरल के वास्तविक "संगीत" को सुन सके। उन्होंने मापा कि ये समूह एक-दूसरे के साथ कैसे जुड़े हुए थे। उदाहरण के लिए, उन्होंने पूछा: "यदि अंडाकार आकार ( $v_2$ ) मजबूत है, तो क्या चार कोनों वाला सितारा आकार ( $v_4$ ) भी अपने आप मजबूत हो जाता है?"

मुख्य निष्कर्ष: आकारों ने उन्हें क्या बताया

1. रग्बी बॉल प्रभाव (विकृति/Deformation)
जेनॉन टकरावों (रग्बी बॉल्स) ने केंद्रीय टकरावों में लेड टकरावों की तुलना में बहुत अधिक "अंडाकार" प्रवाह ( $v_2$ ) दिखाया। इसने पुष्टि की कि नाभिक का प्रारंभिक आकार मायने रखता है। ऊबड़-खाबड़ जेनॉन नाभिक एक अधिक विकृत शुरुआती बिंदु बनाते हैं, जिस पर तरल मजबूती से प्रतिक्रिया करता है।

2. गैर-रेखीय प्रतिक्रिया (द रिपल इफेक्ट/लहर प्रभाव)
यह सबसे जटिल हिस्सा है। तरल केवल आकार की नकल नहीं करता; यह उसे परिवर्तित करता है।

उपमा: कल्पना कीजिए कि आप तालाब में पत्थर फेंक रहे हैं। लहरें केवल पत्थर की नकल नहीं होतीं; वे एक-दूसरे के साथ परस्पर क्रिया करती हैं।
वैज्ञानिकों ने पाया कि "सितारा" आकार ( $v_4$ ) केवल नाभिक के प्रारंभिक सितारा आकार के कारण नहीं था। इसका एक बड़ा हिस्सा इसलिए बना क्योंकि "अंडाकार" प्रवाह ( $v_2$ ) इतना मजबूत हो गया था कि उसने तरल को एक सितारे के आकार में दबा दिया था। इसे नॉन-लीनियर हाइड्रोडायनामिक रिस्पॉन्स कहा जाता है। तरल इतना चिपचिपा और इंटरैक्टिव है कि एक आकार दूसरे को जन्म देता है।

3. "त्रिकोणीय" आश्चर्य
त्रिकोणीय प्रवाह ( $v_3$ ) वास्तव में लेड की तुलना में जेनॉन टकरावों में अधिक मजबूत था, भले ही जेनॉन अधिक "ऊबड़-खाबड़" था। यह सुझाव देता है कि जेनॉन नाभिक की आंतरिक "ऊबड़-खाबड़ता" (fluctuations) तरल में लेड नाभिक की तुलना में अधिक अराजक, त्रिकोणीय लहरें पैदा करती है।

यह क्यों मायने रखता है?

QGP को एक नए प्रकार की सामग्री के रूप में सोचें जिसके नियम हम अभी तक पूरी तरह से नहीं समझते हैं।

गोल संगमरमर (लेड) बनाम रग्बी बॉल (जेनॉन) की तुलना करके, वैज्ञानिक अपने कंप्यूटर मॉडल को ट्यून कर सकते हैं।
उन्होंने पाया कि जेनॉन परिणामों की सही भविष्यवाणी करने के लिए, उन्हें यह मानना पड़ा कि जेनॉन नाभिक वास्तव में दबा हुआ (deformed) है और तरल में एक विशिष्ट "चिपचिपाहट" (viscosity) है।
यदि उनके मॉडल ने गैर-रेखीय "लहर प्रभाव" (जहाँ $v_2$ , $v_4$ बनाता है) को ध्यान में नहीं रखा होता, तो उनके आंकड़े गलत होते।

निचोड़

यह शोध पत्र बिग बैंग के फोरेंसिक जांच की तरह है। दो अलग-अलग आकार के "संगमरमर" को टकराकर और परिणामी "सूप" के जटिल समूह पैटर्न में बहने के तरीके को सुनकर, वैज्ञानिकों ने साबित किया कि:

नाभिक का आकार विस्फोट के आकार को निर्धारित करता है।
परिणामी तरल इतना इंटरैक्टिव है कि वह पुराने आकारों से नए आकार बनाता है (नॉन-लीनियर रिस्पॉन्स)।
अब हमारे पास इस परफेक्ट फ्लूइड के व्यवहार के लिए एक बेहतर "रेसिपी" है, जो ब्रह्मांड के मौलिक नियमों को समझने में मदद करती है।

संक्षेप में: आकार मायने रखता है, और तरल हमारी सोच से कहीं अधिक रचनात्मक है।

यहाँ CMS सहयोग द्वारा लिखित शोध पत्र "Characterizing the initial state and dynamical evolution in XeXe and PbPb collisions using multiparticle cumulants" का विस्तृत तकनीकी सारांश दिया गया है।

1. समस्या और प्रेरणा

उच्च-ऊर्जा भारी-आयन भौतिकी का प्राथमिक लक्ष्य क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा (QGP) के गुणों और परमाणु टकरावों की प्रारंभिक स्थितियों को समझना है। जबकि QGP का सामूहिक व्यवहार (अनिसोट्रोपिक फ्लो, $v_n$ ) लीड-लीड (PbPb) टकरावों में अच्छी तरह से अध्ययन किया गया है, परमाणु विरूपण (nuclear deformation) का इन अवलोकनों पर प्रभाव एक महत्वपूर्ण जांच का विषय बना हुआ है।

विशिष्ट चुनौती: अधिकांश पिछले अध्ययनों में गोलाकार नाभिकों (जैसे कि द्वि-जादुई $^{208}\text{Pb}$ ) का उपयोग किया गया था। हालाँकि, जेनॉन (Xenon) नाभिक ( $^{129}\text{Xe}$ ) ट्रायएक्सियल रूप से विकृत (triaxially deformed) है। इन दो भिन्न नाभिकीय आकृतियों के टकरावों की तुलना भौतिकविदों को प्रारंभिक-अवस्था की ज्यामिति के उतार-चढ़ाव (fluctuations) और माध्यम के गतिशील विकास के प्रभावों को अलग करने में मदद करती है।
अंतराल: जबकि एकल-क्रम फ्लो हार्मोनिक्स ( $v_n$ ) और दो-हार्मोनिक सहसंबंधों (correlations) को मापा गया है, मिश्रित-क्रम क्युमुलैंट्स (mixed-order cumulants) (विभिन्न हार्मोनिक्स और विभिन्न क्रमों के बीच सहसंबंध, जैसे $v_n^k$ और $v_m^l$ ) को XeXe टकरावों में व्यवस्थित रूप से नहीं मापा गया था। ये उच्च-क्रम के अवलोकन नॉनलीन हाइड्रोडायनामिक रिस्पॉन्स और मोड-कपलिंग प्रभावों (mode-coupling effects) की जांच के लिए आवश्यक हैं जिन्हें रैखिक मॉडल कैप्चर नहीं कर सकते।

2. कार्यप्रणाली (Methodology)

यह विश्लेषण LHC पर CMS डिटेक्टर द्वारा एकत्र किए गए डेटा का उपयोग करता है:

डेटा नमूने:
- XeXe टकराव: $\sqrt{s_{NN}} = 5.44$ TeV (2017 डेटा), एकीकृत ल्यूमिनोसिटी $3.42 \, \mu\text{b}^{-1}$ ।
- PbPb टकराव: $\sqrt{s_{NN}} = 5.36$ TeV (2023 डेटा), एकीकृत ल्यूमिनोसिटी $1.92 \, \text{nb}^{-1}$ ।
इवेंट चयन: हैड्रोनिक टकरावों को सुनिश्चित करने के लिए HF कैलोरीमीटर में ऊर्जा निक्षेप (energy deposits) के आधार पर इवेंट्स का चयन किया गया। प्राइमरी वर्टिक्स को पुनर्गठित किया गया, और $|\eta| < 2.4$ और $0.5 < p_T < 3.0$ GeV/c के भीतर ट्रैक्स का चयन किया गया।
विश्लेषण तकनीकें:
- दो-कण सहसंबंध (Two-Particle Correlations): $v_n\{2, |\Delta\eta| > 2\}$ निकालने के लिए उपयोग किया गया, जिससे बड़े स्यूडो-रैपिडिटी गैप के माध्यम से नॉन-फ्लो प्रभावों (जैसे जेट्स) को दबाया जा सका।
- मल्टीपार्टिकल क्युमुलैंट्स (Q-cumulant विधि): वास्तविक मल्टी-पार्टिकल सहसंबंधों को निकालने के लिए उपयोग किया गया।
  - सिमेट्रिक क्युमुलैंट्स (SC): विभिन्न हार्मोनिक्स के फ्लो गुणांकों के वर्ग के बीच सहसंबंधों को मापते हैं (जैसे, $\langle v_n^2 v_m^2 \rangle - \langle v_n^2 \rangle \langle v_m^2 \rangle$ )।
  - मिक्स्ड-हारमोनिक क्युमुलैंट्स (MHC): तीन या अधिक हार्मोनिक्स वाले उच्च-क्रम सहसंबंध (जैसे, $v_2, v_3, v_4$ वाले 6-पार्टिकल और 8-पार्टिकल क्युमुलैंट्स)।
- नॉर्मलाइजेशन: फ्लो गुणांकों के परिमाण पर निर्भरता को हटाने के लिए अवलोकनों को नॉर्मलाइज (NSC, nMHC) किया गया, जिससे प्रणालियों और मॉडलों के बीच सीधा तुलना संभव हो सके।
सैद्धांतिक मॉडल:
- प्रारंभिक अवस्था (IC): IP-GLASMA और TRENTO मॉडल।
- हाइड्रोडायनामिक विकास: IP-GLASMA + MUSIC (विस्कस हाइड्रोडायनामिक्स) + URQMD (हैड्रोनिक आफ्टरबर्नर)।
- नाभिकीय ज्यामिति: जे (Xe) के लिए चार विन्यास (configurations) और Pb के लिए एक विन्यास के साथ वुड्स-सॉक्सन (Woods-Saxon) वितरण का उपयोग किया गया।

3. मुख्य योगदान

यह शोध पत्र XeXe टकरावों में दो या तीन फ्लो हार्मोनिक्स वाले मिश्रित-क्रम मोमेंट्स के प्रथम मापन का प्रतिनिधित्व करता है। मुख्य योगदान निम्नलिखित हैं:

व्यवस्थित तुलना: नाभिकीय आकार के प्रभाव को अलग करने के लिए समान विश्लेषण तकनीकों का उपयोग करते हुए XeXe (विकृत) और PbPb (गोलाकार) टकरावों की प्रत्यक्ष तुलना।
उच्च-क्रम के अवलोकन: 6- और 8-पार्टिकल मिक्स्ड-हारमोनिक क्युमुलैंट्स (nMHC) और 3-हारमोनिक सिमेट्रिक क्युमुलैंट्स का मापन, जो नॉनलीन हाइड्रोडायनामिक मोड-कपलिंग के प्रति अभूतपूर्व संवेदनशीलता प्रदान करते हैं।
नाभिकीय विरूपण को सीमित करना: फ्लो अवलोकनों का उपयोग करके $^{129}\text{Xe}$ नाभिक के क्वाड्रुपोल ( $\beta_2$ ) और स्किन डेप्थ ( $a_0$ ) मापदंडों को नियंत्रित (constrain) करना।
नॉनलिनिटी का परिमाणीकरण: यह प्रदर्शित करना कि कैसे उच्च-क्रम के मोमेंट्स प्रारंभिक स्थानिक अनिसोट्रॉपी (spatial anisotropities) के प्रति QGP के नॉनलीन रिस्पॉन्स को प्रकट करते हैं, विशेष रूप से $v_2$ और $v_4$ के बीच कपलिंग।

4. परिणाम

नाभिकीय विरूपण संवेदनशीलता:
- एलिप्टिक फ्लो ( $v_2$ ): केंद्रीय टकरावों में, Xe नाभिक के प्रोलेट विरूपण के कारण PbPb की तुलना में XeXe में $v_2$ बढ़ जाता है। डेटा IP-GLASMA+MUSIC+URQMD मॉडल द्वारा सबसे अच्छा वर्णित किया जाता है, जिसमें क्वाड्रुपोल विरूपण पैरामीटर $\beta_2 = 0.207$ और नाभिकीय स्किन डेप्थ $a_0 = 0.492$ fm का उपयोग किया गया है।
- ट्रायंगुलर फ्लो ( $v_3$ ): XeXe केंद्रीय टकरावों में PbPb की तुलना में अधिक $v_3$ मान दिखाता है, जो विकृत Xe सिस्टम में मजबूत प्रारंभिक-अवस्था घनत्व उतार-चढ़ाव को दर्शाता है।
- क्वाड्रांगुलर फ्लो ( $v_4$ ): पेरिफेरल (peripheral) टकरावों में, XeXe में PbPb की तुलना में $v_4$ कम होता है क्योंकि यह $v_2$ के नॉनलीन कपलिंग द्वारा प्रधान है (जो इस सेंट्रलिटी रेंज में XeXe में छोटा है)।
फ्लक्चुएशन और अनुपात:
- अनुपात $v_n\{4\}/v_n\{2\}$ PbPb की तुलना में XeXe में छोटा है, जो विकृत सिस्टम में बड़े इवेंट-बाय-इवेंट उतार-चढ़ाव को दर्शाता है।
- अनुपात $v_3\{4\}/v_3\{2\}$ अनुमानित $A^{-1/4}$ स्केलिंग (जहाँ $A$ परमाणु द्रव्यमान संख्या है) का पालन करता है, जो पुष्टि करता है कि नॉन-गौसियन फ्लक्चुएशन पार्टिसिपेंट्स की संख्या के साथ स्केल करते हैं।
सिमेट्रिक क्युमुलैंट्स (SC):
- NSC(2,3): नकारात्मक सहसंबंध ( $\epsilon_2$ और $\epsilon_3$ के बीच एंटी-कोरिलेशन) दिखाता है, जो दोनों सिस्टमों में सुसंगत है।
- NSC(2,4): नॉनलीन मोड कपलिंग ( $v_4 \propto \epsilon_2^2$ ) के कारण सकारात्मक सहसंबंध दिखाता है। प्रारंभिक-अवस्था मॉडल (TRENTO, IP-GLASMA-IC) पेरिफेरल टकरावों में NSC(2,4) के परिमाण को दोहराने में विफल रहते हैं, जो हाइड्रोडायनामिक विकास की आवश्यकता को रेखांकित करता है।
मिक्स्ड-हारमोनिक क्युमुलैंट्स (nMHC):
- चिह्न पैटर्न (Sign Patterns): यह शोध पत्र $v_2$ और $v_3$ के मोमेंट्स (नेगेटिव-पॉजिटिव-नेगेटिव) बनाम $v_2$ और $v_4$ के बीच सहसंबंधों के लिए विशिष्ट चिह्न पैटर्न स्थापित करता है।
- नॉनलीन डोमिनेंस: प्रारंभिक-अवस्था मॉडल $v_2$ और $v_4$ के बीच सहसंबंधों के लिए डेटा की तुलना में गलत चिह्न की भविष्यवाणी करते हैं। यह सिद्ध करता है कि $v_2$ - $v_4$ सहसंबंध मुख्य रूप से हाइड्रोडायनामिक विस्तार के दौरान गतिशील रूप से उत्पन्न होते हैं, न कि केवल प्रारंभिक ज्यामिति द्वारा।
- सिस्टम साइज: फ्लक्चुएशन-ड्रिवन हार्मोनिक्स ( $v_3, v_4$ ) के उच्च-क्रम मोमेंट्स छोटे XeXe सिस्टम में बड़े होते हैं, जो उतार-चढ़ाव के प्रति बढ़ी हुई संवेदनशीलता को दर्शाते हैं।

5. महत्व

हाइड्रोडायनामिक्स का सत्यापन: परिणाम इस बात का पुख्ता प्रमाण देते हैं कि QGP एक तरल की तरह व्यवहार करता है जिसमें महत्वपूर्ण नॉनलीन रिस्पॉन्स होता है। केवल प्रारंभिक-अवस्था वाले मॉडलों की विफलता यह पुष्टि करती है कि देखे गए फ्लो सहसंबंधों को उत्पन्न करने के लिए हाइड्रोडायनामिक विकास आवश्यक है।
परिशुद्ध नाभिकीय संरचना: यह अध्ययन दर्शाता है कि LHC पर भारी-आयन टकराव निम्न-ऊर्जा नाभिकीय भौतिकी द्वारा कठिन रूप से नियंत्रित किए जाने वाले नाभिकीय विरूपण मापदंडों ( $\beta_2, a_0$ ) को मापने के लिए एक सटीक उपकरण के रूप में कार्य कर सकते हैं।
ट्रांसपोर्ट गुण: प्रारंभिक अवस्था की ज्यामिति को नियंत्रित करके, ये माप QGP ट्रांसपोर्ट गुणांकों, जैसे कि विशिष्ट शियर विस्कोसिटी टू एंट्रॉपी डेंसिटी रेश्यो ( $\eta/s$ ) को निकालने में अनिश्चितताओं को कम करते हैं।
नए अवलोकन: 6- और 8-पार्टिकल मिक्स्ड क्युमुलैंट्स का सफल मापन विभिन्न फ्लो हार्मोनिक्स के बीच जटिल, नॉनलीन परस्पर क्रिया की जांच के लिए एक नया मोर्चा खोलता है, जो QGP के विकास की अधिक पूर्ण तस्वीर प्रदान करता है।

निष्कर्षतः, यह कार्य स्थापित करता है कि $^{129}\text{Xe}$ नाभिक का ट्रायएक्सियल विरूपण गोलाकार $^{208}\text{Pb}$ की तुलना में प्रारंभिक ज्यामिति और उसके बाद के फ्लो उतार-चढ़ाव को महत्वपूर्ण रूप से बदल देता है। इसके अलावा, यह सिद्ध करता है कि नॉनलीन हाइड्रोडायनामिक रिस्पॉन्स ही सम-क्रम फ्लो हार्मोनिक्स ( $v_2$ और $v_4$ ) के बीच सहसंबंधों को चलाने वाला प्रमुख तंत्र है, जो एक ऐसी विशेषता है जिसे स्थिर प्रारंभिक-अवस्था मॉडल कैप्चर नहीं कर सकते।