Centrality dependence of strange particle production in Pb-Pb collisions at $\sqrt{s_{\rm NN}} = 5.02$ TeV

ब्रह्मांड को उसके सबसे मौलिक स्तर पर समझने के लिए, भौतिक विज्ञानी इस बात का अध्ययन करते हैं कि क्या होता है जब पदार्थ को इतनी शक्ति के साथ कुचला जाता है कि परमाणुओं के वास्तविक निर्माण खंड घुल जाते हैं। सामान्य परिस्थितियों में, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन छोटे कणों से बने होते हैं जिन्हें क्वार्क कहा जाता है, जो एक दूसरे से इतनी मजबूती से जुड़े होते हैं कि वे अपने आप में अस्तित्व में नहीं रह सकते। हालाँकि, यदि पर्याप्त ऊर्जा को एक बहुत छोटे स्थान में केंद्रित किया जाए, तो यह 'गोंद' पिघल जाता है। क्वार्क और वे कण जो उनके बीच के बल को वहन करते हैं, जिन्हें ग्लूऑन कहा जाता है, मुक्त हो जाते हैं और एक नई अवस्था का निर्माण करते हैं जिसे क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा के रूप में जाना जाता है। माना जाता है कि यह अवस्था बिग बैंग के ठीक बाद एक सेकंड के अंश के लिए अस्तित्व में थी। वैज्ञानिक इन भारी परमाणु नाभिकों को लगभग प्रकाश की गति से टकराकर इस चरम वातावरण को फिर से बनाते हैं। इन टकरावों से कौन से कण उभरते हैं इसका अवलोकन करके, शोधकर्ता यह सीख सकते हैं कि यह आदिम सूप (primordial soup) कैसे व्यवहार करता है, यह कैसे ठंडा होता है, और यह अंततः उस पदार्थ में कैसे पुनर्गठित होता है जिससे आज हमारी दुनिया बनी है।

इस क्षेत्र में एक प्रमुख प्रश्न यह है कि इस प्लाज्मा में विचित्र (strange) कणों का निर्माण कैसे होता है। परमाणुओं की मानक दुनिया में, "स्ट्रेंज" क्वार्क वाले कण दुर्लभ होते हैं और उन्हें उत्पन्न करना कठिन होता है। लेकिन क्वार्क-गलूऑन प्लाज्मा के गर्म और घने वातावरण में, सिद्धांत सुझाव देता है कि साधारण टकरावों की तुलना में स्ट्रेंज क्वार्क का निर्माण बहुत आसानी से और बड़ी संख्या में होना चाहिए। यह घटना, जिसे 'स्ट्रेंजनेस एन्हांसमेंट' (strangeness enhancement) के रूप में जाना जाता है, एक ऐसा संकेत है जिसे वैज्ञानिक यह सिद्ध करने के लिए देखते आए हैं कि इस विशेष पदार्थ की अवस्था का निर्माण हुआ है। वर्षों से, शोधकर्ताओं ने भारी नाभिकों के बीच होने वाले बड़े टकरावों में इस प्रभाव को देखा है, लेकिन कहानी तब जटिल हो गई जब उन्होंने छोटे टकरावों, जैसे कि एक एकल प्रोटॉन और एक भारी नाभिक के बीच के टकरावों को देखना शुरू किया। आश्चर्यजनक रूप से, इन छोटे टकरावों में भी स्ट्रेंज कण दिखाई दिए, बशर्ते कि टकराव पर्याप्त हिंसक हो। इसने एक नया प्रश्न खड़ा कर दिया: क्या इन कणों का निर्माण टकराने वाली वस्तुओं के आकार द्वारा संचालित होता है, या यह केवल टकराव में उत्पन्न होने वाले कणों की संख्या द्वारा संचालित होता है, चाहे वस्तु का आकार कुछ भी हो?

इसका उत्तर देने के लिए, यूरोप में लार्ज हैड्रोन कोलाइडर में ALICE सहयोग (collaboration) ने लेड-लेड (सीसा-सीसा) टकरावों के डेटा के एक विशाल संग्रह का विश्लेषण किया। ये टकराव प्रति न्यूक्लियॉन जोड़ी 5.02 TeV की ऊर्जा पर हुए थे, जो 2015 और 2018 के बीच संचालन के अपने दूसरे प्रमुख दौर के लिए कोलाइडर का एक रिकॉर्ड उच्च स्तर था। टीम ने एक विशिष्ट कण परिवार पर ध्यान केंद्रित किया: वे जिनमें स्ट्रेंज क्वार्क होते हैं। उन्होंने न्यूट्रल केऑन (neutral kaon) और लैम्ब्डा बैरयॉन (lambda baryon) जैसे एकल स्ट्रेंज कणों के साथ-साथ कैस्केड (cascade) और ओमेगा (omega) जैसे मल्टी-स्ट्रंग कणों का भी अध्ययन किया, जिनमें क्रमशः दो या तीन स्ट्रेंज क्वार्क होते हैं। इस रन के पूर्ण डेटासेट का उपयोग करके, जिसमें 2 $\times$ $10^8$ (28 करोड़) टकराव की घटनाएं शामिल थीं, शोधकर्ता इन कणों को टकराव की "सेंट्रालिटी" (centrality) की एक विस्तृत श्रृंखला में अभूतपूर्व सटीकता के साथ माप सके। सेंट्रालिटी यह बताती है कि टकराव कितना आमने-सामने का है; एक सेंट्रल टकराव सीधा, सिर-से-सिर वाला टकराव है, जबकि एक पेरिफेरल (परिधीय) टकराव अधिक तिरछा या बगल का प्रहार है। इससे टीम को यह देखने में मदद मिली कि टकराव की हिंसा सबसे चरम से लेकर सबसे सौम्य तक बदलने पर कण उत्पादन कैसे बदलता है।

शोधकर्ताओं ने पाया कि इन स्ट्रेंज कणों का व्यवहार इस बात पर नाटकीय रूप से निर्भर करता है कि टकराव कितना सेंट्रल है। सबसे हिंसक, सेंट्रल टकरावों में, कण पेरिफेरल टकरावों की तुलना में उच्च औसत गति और संवेग के व्यापक प्रसार के साथ उभरते हैं। यह सुझाव देता है कि सबसे ऊर्जावान टकरावों में, निर्मित पदार्थ एक मजबूत सामूहिक धक्के के साथ बाहर की ओर फैलता है, ठीक वैसे ही जैसे किसी तरल पदार्थ को दबाया जा रहा हो। जब उन्होंने स्ट्रेंज बैरयॉन्स और स्ट्रेंज मेसॉन्स के अनुपात को देखा, तो उन्हें मध्यम गति पर एक स्पष्ट शिखर (peak) दिखाई दिया। यह शिखर पेरिफेरल टकरावों की तुलना में सेंट्रल टकरावों में बहुत अधिक था और उच्च गति की ओर स्थानांतरित हो गया था। यह पैटर्न इस विचार के अनुरूप है कि गर्म, घना पदार्थ एक तरल की तरह व्यवहार करता है जो हल्के मेसॉन्स की तुलना में भारी बैरयॉन्स को अधिक प्रभावी ढंग से उच्च गति की ओर धकेलता है।

शायद सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्ष यह था कि इन परिणामों ने छोटे टकराव प्रणालियों के साथ कैसे संबंध बनाया। टीम ने अपने लेड-लेड डेटा की तुलना प्रोटॉन-प्रोटॉन और प्रोटॉन-लेड टकरावों के पिछले परिणामों से की। उन्होंने पाया कि जब उन्होंने स्ट्रेंज कणों के उत्पादन को घटना में उत्पन्न कुल आवेशित कणों (charged particles) के विरुद्ध प्लॉट किया, तो तीनों प्रकार के टकरावों का डेटा एक ही, सुचारू वक्र (smooth curve) पर आ गया। चाहे टकराव दो भारी नाभिकों के बीच हो, एक प्रोटॉन और एक नाभिक के बीच हो, या दो प्रोटॉनों के बीच हो, स्ट्रेंज कणों का उत्पादन पूरी तरह से घटना की कुल गतिविधि पर निर्भर था, न कि टकराने वाली वस्तुओं के आकार या प्रकार पर। यह सुचारू जुड़ाव यह सुझाव देता है कि इन कणों के निर्माण को चलाने वाला तंत्र सार्वभौमिक है। यह संकेत देता है कि एक बार जब गतिविधि का एक निश्चित स्तर प्राप्त हो जाता है, तो प्रणाली समान रूप से व्यवहार करती है, चाहे वह एक छोटे या बड़े टकराव से बनी हो।

अध्ययन ने EPOS 4 नामक एक विशिष्ट कंप्यूटर मॉडल का भी परीक्षण किया, जो इन टकरावों के जटिल भौतिकी का अनुकरण करने का प्रयास करता है। मॉडल ने डेटा में देखे गए सामान्य रुझानों को सफलतापूर्वक पुनरुत्पादित किया, जिसमें टकराव की सेंट्रालिटी के साथ कणों की गति में परिवर्तन और स्ट्रेंज कण उत्पादन का समग्र पैटर्न शामिल है। हालाँकि, मॉडल हर विवरण में डेटा से पूरी तरह मेल नहीं खा सका। यह कणों के लिए थोड़ा कम वेग की भविष्यवाणी करता था और कम हिंसक टकरावों में स्ट्रेंज कण शिखर की ताकत को बढ़ा-चढ़ाकर बताता था। इन छोटी विसंगतियों के बावजूद, तथ्य यह है कि मॉडल डेटा की व्यापक विशेषताओं को पकड़ सकता है, यह इन प्रणालियों के विकास के बारे में वर्तमान समझ के लिए मजबूत समर्थन प्रदान करता है।

अंततः, यह कार्य पुष्टि करता है कि स्ट्रेंज कणों का उत्पादन टकराने वाली वस्तुओं की ज्यामिति के बजाय टकराव के घनत्व द्वारा नियंत्रित होता है। स्ट्रेंज कणों का संवर्धन (enhancement), जिसे कभी बड़े नाभिकों में क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा का एक अनूठा संकेत माना जाता था, एक अधिक सामान्य घटना प्रतीत होता है जो तब होता है जब पर्याप्त ऊर्जा कणों का उच्च घनत्व बनाने के लिए केंद्रित होती है। परिणाम दर्शाते हैं कि छोटे से बड़े टकराव प्रणालियों के बीच का संक्रमण निर्बाध है, जिसमें कणों के व्यवहार में कोई अचानक उछाल या टूट नहीं है। यह सैद्धांतिक मॉडलों के लिए एक मजबूत परीक्षण प्रदान करता है और ब्रह्मांड की सबसे चरम स्थितियों के तहत पदार्थ कैसे व्यवहार करता है, इसकी समझ को गहरा करता है। निष्कर्ष बताते हैं कि इन विलक्षण कणों के निर्माण को नियंत्रित करने वाले नियम विभिन्न पैमानों पर सुसंगत हैं, जो ब्रह्मांड के शुरुआती क्षणों में काम करने वाले मौलिक बलों की एक स्पष्ट तस्वीर पेश करते हैं।