On the angular momentum and free energy of rotating gluon plasma

एक ऐसे पदार्थ की कल्पना करें जो इतना गर्म और सघन है कि हमारे ज्ञात परमाणु उसके सबसे छोटे हिस्सों के एक उबलते हुए सूप में घुल जाते हैं। यह क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा है, पदार्थ की एक ऐसी अवस्था जो बिग बैंग के ठीक बाद एक क्षणिक समय के लिए अस्तित्व में थी और जिसे आज भारी आयनों को आपस में टकराकर विशाल कण त्वरकों (पार्टिकल एक्सेलरेटर) में पुन: बनाया जाता है। इन टक्करों में, बनने वाला अग्निपुंड (फायरबॉल) केवल स्थिर नहीं रहता; यह अविश्वसनीय गति से घूमता है, जिससे एक प्रकार का घूर्णन बल उत्पन्न होता है जिसे वोर्टिसिटी (vorticity) कहा जाता है। वैज्ञानिक लंबे समय से इस बात को लेकर जिज्ञासु रहे हैं कि यह विलक्षण, अत्यधिक गर्म तरल कैसा व्यवहार करता है जब इसे घूमने के लिए मजबूर किया जाता है। क्या यह एक कठोर पहिये की तरह घूमता है, या यह अप्रत्याशित तरीकों से बहता है और स्वयं को नया आकार देता है? इस घूर्णन को समझना भौतिकविदों को मजबूत बल (strong force) के मौलिक नियमों का परीक्षण करने में मदद करता है, जो वह गोंद है जो हमारे ब्रह्मांड को एक साथ थामे रखता है, और वह भी उन स्थितियों में जो प्राकृतिक दुनिया में कहीं भी पाना असंभव है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस घूमते हुए सूप पर करीब से नज़र डाली है, विशेष रूप से इस बात पर ध्यान केंद्रित किया है कि जैसे-जैसे स्पिन (घूर्णन) तेज होता है, घूमते हुए पदार्थ की ऊर्जा और संवेग कैसे बदलते हैं। एक शक्तिशाली पद्धति का उपयोग करते हुए जिसे लैटिस सिमुलेशन (lattice simulations) कहा जाता है, जो जटिल समीकरणों को हल करने के लिए अंतरिक्ष और समय को एक ग्रिड में विभाजित करती है, उन्होंने शुद्ध ग्लुऑन्स—वे कण जो मजबूत बल को ले जाते हैं—का एक सिस्टम मॉडल किया, जिसमें क्वार्क्स की अतिरिक्त जटिलता शामिल नहीं थी। उन्होंने इस सिस्टम को विभिन्न तापमानों पर सिम्युलेट किया, जो प्लाज्मा बनने के बिंदु से ठीक ऊपर से लेकर बहुत अधिक गर्म स्तरों तक फैला हुआ था, और देखा कि यह घूमने के प्रति कैसी प्रतिक्रिया देता है। लक्ष्य दो विशिष्ट चीजों को मापना था: तरल को घुमाने के लिए कितनी मेहनत या प्रयास की आवश्यकता होती है, और गति बढ़ने के साथ तरल खुद को कैसे नया आकार देता है।

किसी सामान्य, रोजमर्रा की वस्तु जैसे कि घूमते हुए लट्टू या ग्रह में, अधिक स्पिन जोड़ने से आमतौर पर सामग्री बाहर की ओर धकेली जाती है, जिससे वस्तु भूमध्य रेखा पर फूल जाती है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि द्रव्यमान केंद्र से दूर भागना चाहता है, एक ऐसा व्यवहार जिसे बनाए रखने के लिए सकारात्मक ऊर्जा की आवश्यकता होती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि गर्म ग्लऑन प्लाज्मा इस अंतर्ज्ञान के लगभग विपरीत व्यवहार करता है, लेकिन केवल एक विशिष्ट तापमान सीमा के भीतर। प्लाज्मा बनने के तापमान के ठीक ऊपर, तरल वास्तव में एक अजीब तरीके से स्पिन का विरोध करता है। विशेष रूप से, लगभग 1.5 गुना क्रांतिक तापमान (critical temperature) के नीचे के सुपरवोर्टिकल तापमान पर, तरल फैलता नहीं है; इसके बजाय, यह अंदर की ओर खिंचता है, केंद्र के करीब इकट्ठा होता है। यह प्रति-सहज व्यवहार यह दर्शाता है कि तरल में एक "ऋणात्मक जड़त्व आघूर्ण" (negative moment of inertia) होता है, एक ऐसा गुण जहाँ प्रणाली घूर्णन के प्रति उस प्रतिक्रिया को करती है जो साधारण पदार्थ के लिए शास्त्रीय भौतिकी की भविष्यवाणी के विपरीत होती है।

यह अजीब आंतरिक खिंचाव प्लाज्मा के भीतर एक गहरे संरचनात्मक परिवर्तन से जुड़ा है। सिमुलेशन बताते हैं कि इस तापमान क्षेत्र में, प्लाज्मा एक समान सूप नहीं है बल्कि दो अलग-अलग चरणों (phases) का मिश्रण है जो साथ-साथ मौजूद हैं। एक चरण एक भारी, विखंडित (deconfined) अवस्था है जो केंद्र में बैठने को प्राथमिकता देती है, जबकि दूसरा एक हल्का, संचित (confined) चरण है जो किनारों पर रहता है। जैसे-जैसे घूर्णन की गति बढ़ती है, इन दो चरणों के बीच की सीमा खिसकती है, जिससे भारी केंद्र वाला पदार्थ घूर्णन के अक्ष के और भी करीब चला जाता है। यह पुनर्गठन ही इस स्पिन के प्रति ऋणात्मक प्रतिक्रिया का कारण बनता है। हालांकि, यह विलक्षण व्यवहार स्थायी नहीं है। जैसे-जैसे तापमान और बढ़ता है, प्लाज्मा एक अधिक परिचित अवस्था में स्थिर हो जाता है। इन उच्च तापमानों पर, तरल एक सामान्य घूमती हुई वस्तु की तरह व्यवहार करने लगता है, यानी स्पिन करने पर बाहर की ओर फैलता है, और अजीब ऋणात्मक प्रभाव गायब हो जाते हैं।

अध्ययन ने सिम्युलेटेड सिस्टम के किनारों पर भी बारीकी से ध्यान दिया ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि परिणाम वास्तविक हैं और केवल कंप्यूटर मॉडल की कोई त्रुटि नहीं हैं। विभिन्न सीमा स्थितियों (boundary conditions) के साथ सिस्टम का परीक्षण करके और यहाँ तक कि बाहरी किनारों को अनदेखा करते हुए सिमुलेशन के आंतरिक कोर को देखते हुए, टीम ने पुष्टि की कि अजीब आंतरिक व्यवहार बल्क फ्लूइड (bulk fluid) का एक वास्तविक गुण है, न कि कंटेनर का कोई भ्रम। उन्होंने पाया कि हालांकि किनारों को संभालने के आधार पर सटीक संख्याएँ थोड़ी भिन्न थीं, फिर भी कम तापमान पर तरल के अंदर की ओर खिंचने और उच्च तापमान पर बाहर की ओर फैलने का समग्र पैटर्न सुसंगत बना रहा। यह कार्य इस बात की स्पष्ट तस्वीर प्रदान करता है कि घूमते हुए वातावरण में मजबूत बल कैसे कार्य करता है, यह प्रकट करता है कि सबसे मौलिक निर्माण खंड भी गर्मी और गति की चरम सीमाओं तक धकेले जाने पर हमारे रोजमर्रा के अपेक्षाओं को चुनौती दे सकते हैं।