Multiplicity dependence of two-particle angular correlations of identified particles in pp collisions at $\mathbf{\sqrt{s} = 13}$ TeV

ब्रह्मांड के केंद्र में, जहाँ पदार्थ को उसके सबसे मौलिक निर्माण खंडों तक कम कर दिया जाता है, वैज्ञानिक इस बात का अध्ययन करते हैं कि कण कैसे जन्म लेते हैं और एक-दूसरे से टकराने पर वे कैसा व्यवहार करते हैं। जब दो प्रोटॉन लगभग प्रकाश की गति से टकराते हैं, तो वे केवल आपस में टकराकर वापस नहीं लौटते; वे नए कणों की बौछार में टूट जाते हैं। ये कण, जिनमें पायोन (pions), केऑन (kaons) और प्रोटॉन शामिल हैं, सभी दिशाओं में बाहर निकलते हैं। इन कणों के एक-दूसरे के सापेक्ष निकलने वाले कोणों को मापकर, भौतिक विज्ञानी उन अदृश्य बलों और नियमों का पुनर्निर्माण कर सकते हैं जो उनके निर्माण को नियंत्रित करते थे। यह कुछ हद तक एक टूटे हुए फूलदान के मलबे को देखने जैसा है ताकि यह समझा जा सके कि फूलदान को कैसे बनाया गया था, लेकिन यह इतने सूक्ष्म स्तर पर है जहाँ क्वांटм मैकेनिक्स के नियम और ऊर्जा एवं विद्युत आवेश जैसी मौलिक मात्राओं के संरक्षण जैसे नियम परिणाम निर्धारित करते हैं। दशकों से, शोधकर्ता इन टक्करों का उपयोग ब्रह्मांड कैसे काम करता है, इसके बारे में अपने सिद्धांतों का परीक्षण करने के लिए करते रहे हैं, फिर भी बैरयॉन (baryons) नामक भारी कणों से जुड़ा एक विशिष्ट पैटर्न समझाने में हठीला बना हुआ है।

सीर्न (CERN) के लार्ज हैड्रोन कोलाइडर में एलिस (ALICE) सहयोग द्वारा किए गए एक नए अध्ययन ने इन कण टकरावों पर एक ताज़ा नज़र डाली है, इस बार इस बात पर ध्यान केंद्रित किया है कि एक ही टक्कर में उत्पन्न होने वाले कणों की संख्या उनके एक-दूसरे से संबंधित होने के तरीके को कैसे बदलती है। शोधकर्ताओं ने 13 टेरा-इलेक्ट्रॉनवोल्ट की ऊर्जा पर प्रोटॉन-प्रोटॉन टकरावों के डेटा का विश्लेषण किया, जो शक्ति का एक रिकॉर्ड-तोड़ स्तर है जो उन्हें अभूतपूर्व विवरण के साथ उप-परमाणु दुनिया की जांच करने की अनुमति देता है। उन्होंने अरबों टक्करों का अध्ययन किया, उन्हें इस आधार पर समूहों में वर्गीकृत किया कि प्रत्येक घटना में कितने आवेशित कण उत्पन्न हुए, जो बहुत शांत टक्करों (जिनमें बहुत कम कण होते हैं) से लेकर अत्यंत व्यस्त टक्करों (जिनमें बहुत अधिक कण होते हैं) तक विस्तृत है। प्रत्येक समूह के लिए, उन्होंने कणों के जोड़ों के बीच कोणीय दूरी को मापा, विशेष रूप से यह देखा कि एक ही प्रकार के कण, जैसे कि दो प्रोटॉन, एक-दूसरे के करीब बनाम दूर कितनी बार दिखाई देते हैं।

सबसे उल्लेखनीय खोज प्रोटॉन और अन्य भारी कणों, जिन्हें बैरयॉन कहा जाता है, के जोड़ों से संबंधित है। पिछले प्रयोगों में, वैज्ञानिकों ने देखा कि जब एक ही टक्कर में दो प्रोटॉन उत्पन्न होते हैं, तो वे टक्कर की दिशा में एक-दूसरे के करीब दिखने से बचते हैं। एक साथ समूह बनाने के बजाय, वे एक स्पष्ट "एंटी-कोरिलेशन" (anti-correlation) दिखाते हैं, जिसका अर्थ है कि वे यादृच्छिक संयोग की तुलना में एक-दूसरे के पास पाए जाने की कम संभावना रखते हैं। यह शोध पुष्टि करता है कि यह पहेलीनुमा बचाव सभी प्रकार की टक्करों में होता है, सबसे शांत से लेकर सबसे हिंसक टक्करों तक। इससे भी बढ़कर, शोधकर्ताओं ने पाया कि यह बचाव और भी अधिक स्पष्ट हो जाता है जब टक्कर अधिक कण घनत्व उत्पन्न करती है। यह व्यवहार उन कंप्यूटर मॉडलों को चुनौती देता है जिनका उपयोग इन घटनाओं के अनुकरण (simulate) के लिए किया जाता है, जो आम तौर पर भविष्यवाणी करते हैं कि कण या तो एक साथ समूह बनाएंगे या अलग रहने के लिए ऐसा कोई मजबूत अधिमान (preference) नहीं दिखाएंगे।

यह समझने के लिए कि यह क्यों महत्वपूर्ण है, व्यक्ति को इसमें शामिल विभिन्न प्रकार के कणों को देखना होगा। अध्ययन में पायोन, केऑन और प्रोटॉन का परीक्षण किया गया, जो इन उच्च-ऊर्जा टकरावों के प्राथमिक उत्पाद हैं। जब शोधकर्ताओं ने पायोन या केऑन के जोड़ों को देखा, तो परिणाम मौजूदा सिद्धांतों से काफी मेल खाते थे। इन हल्के कणों ने टक्कर की दिशा में एक साथ समूह बनाने की प्रवृत्ति दिखाई, जो कणों के सूक्ष्म जेट के निर्माण और कणों की क्वांटम प्रकृति द्वारा संचालित व्यवहार है। हालाँकि, प्रोटॉन ने एक अलग कहानी सुनाई। जबकि हल्के कणों ने अपेक्षित व्यवहार किया, प्रोटॉन लगातार एक-दूसरे के पास बैठने से इनकार करते रहे। यह "नियर-साइड" (near-side) बचाव हर मल्टीप्लिसिटी क्लास (multiplicity class) में देखा गया, जो यह सुझाव देता है कि प्रोटॉन को करीब होने से रोकने वाला तंत्र इन टक्करों में पदार्थ के निर्माण की एक मौलिक विशेषता है, न कि किसी विशिष्ट प्रकार की घटना का संयोग।

शोधकर्ताओं ने डेटा का विश्लेषण करने का एक नया तरीका भी पेश किया ताकि एक सरल गणितीय प्रभाव को हटाया जा सके जो वास्तविक भौतिकी को छिपा सकता है। पिछले अध्ययनों में, सहसंबंधों (correlations) को मापने का तरीका ऐसा लग रहा था जैसे यह प्रभाव कम कणों वाली टक्करों में अधिक मजबूत है। इस स्केलिंग फैक्टर को हटाने के लिए अपने तरीके को समायोजित करके, टीम ने खुलासा किया कि प्रोटॉन के बचाव की वास्तविक शक्ति वास्तव में बढ़ती है जैसे-जैसे टक्कर में कणों की संख्या बढ़ती है। यह निष्कर्ष महत्वपूर्ण है क्योंकि यह एक जटिल वातावरण की ओर संकेत करता है जहाँ एक प्रोटॉन का निर्माण दूसरे पास के प्रोटॉन के निर्माण को प्रभावित करता है। डेटा बताता है कि वर्तमान मॉडल, जो ऊर्जा की स्ट्रिंग्स के टूटने से कण बनने के स्थापित सिद्धांतों पर निर्भर करते हैं, एक प्रमुख घटक को मिस कर रहे हैं। ये मॉडल देखे गए बचाव को सटीक रूप से प्रस्तुत करने में विफल रहते हैं, जो यह दर्शाता है कि बैरयॉन कैसे बनते हैं और वे कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, इसकी हमारी समझ अपूर्ण है।

जब शोधकर्ताओं ने अपने मापों की तुलना चार अलग-अलग कंप्यूटर मॉडलों के अनुमानों से की, तो परिणाम मिश्रित रहे। मॉडलों ने हल्के पायोन और केऑन के व्यवहार का वर्णन करने में अच्छा काम किया, सहसंबंधों के सामान्य आकार को पकड़ा। हालाँकि, कोई भी मॉडल प्रयोग में देखे गए प्रोटॉन बचाव के विशिष्ट पैटर्न को सटीक रूप से पुनरुत्पादित नहीं कर सका। कुछ मॉडलों ने भविष्यवाणी की कि प्रोटॉन एक साथ समूह बनाएंगे, जबकि अन्य ने कोई मजबूत पैटर्न नहीं दिखाया। सबसे परिष्कृत मॉडल, जो कणों की जटिल अंतःक्रियाओं को समझाने का प्रयास करते हैं, अभी भी प्रयोगात्मक डेटा से मेल खाने में पीछे रह गए। सिमुलेशन और वास्तविकता के बीच यह अंतर हमारे सैद्धांतिक समझ में एक महत्वपूर्ण कमी को उजागर करता है।

अध्ययन ने यह भी देखा कि जब कण विपरीत प्रकार के होते हैं, जैसे कि एक प्रोटॉन और एक एंटी-प्रोटॉन, तो उनके बीच सहसंबंध कैसे बदलते हैं। इन मामलों में, कण अलग व्यवहार दिखाते हैं, जो अक्सर एक-दूसरे के करीब दिखाई देते हैं, जो इस विचार के अनुरूप है कि उन्हें कुछ भौतिक गुणों को संरक्षित करने के लिए जोड़ों में उत्पन्न किया जाता है। यह विरोधाभास इस बात पर और अधिक जोर देता है कि प्रोटॉन-प्रोटॉन जोड़े में देखा गया बचाव एक अनूठी घटना है जो समान बैरयॉन के विशिष्ट है। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि यह व्यवहार तब भी बना रहता है जब टक्कर ऊर्जा इतनी अधिक होती है कि एक सघन वातावरण बन जाता है जहाँ कई कण एक साथ उत्पन्न होते हैं। यह सुझाव देता है कि इन अंतःक्रियाओं को नियंत्रित करने वाले नियम सुदृढ़ हैं और सबसे अराजक स्थितियों में भी गायब नहीं होते हैं।

अंततः, यह कार्य उन सिद्धांतकारों के लिए एक महत्वपूर्ण मार्गदर्शक के रूप में कार्य करता है जो उप-परमाणु दुनिया के अपने मॉडलों को परिष्कृत करने का प्रयास कर रहे हैं। डेटा एक स्पष्ट लक्ष्य प्रदान करता है: कोई भी सफल सिद्धांत यह समझाने में सक्षम होना चाहिए कि प्रोटॉन इन टक्करों में एक-दूसरे से क्यों बचते हैं और यह प्रभाव टक्कर के अधिक भीड़भाड़ वाले होने पर क्यों मजबूत होता है। निष्कर्ष बताते हैं कि कण निर्माण के अनुकरण के लिए उपयोग किए जाने वाले वर्तमान तरीके, जो दशकों से सफल रहे हैं, उन्हें बैरयॉन बचाव को शामिल करने के लिए नए तंत्रों के साथ अपडेट करने की आवश्यकता है। चाहे इसमें ऊर्जा स्ट्रिंग्स के टूटने के नए नियम शामिल हों या क्वार्क्स के बीच क्वांटम अंतःक्रियाओं की गहरी समझ, अब इन सटीक मापों द्वारा आगे का रास्ता आलोकित हो गया है। यह अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि इसने बैरयॉन उत्पादन के रहस्य को सुलझा लिया है, लेकिन इसने समस्या की प्रकृति को दृढ़ता से स्थापित कर दिया है, जिससे प्रायोगिक समुदाय को हमारे ज्ञान की सीमाओं को और आगे बढ़ाने के लिए आवश्यक उपकरण मिल गए हैं।