⚛️ high-energy experiments

The SPD project at NICA

यह शोध पत्र NICA कोलाइडर के स्पिन फिजिक्स डिटेक्टर (SPD) प्रोजेक्ट के भौतिकी कार्यक्रम और डिटेक्टर डिजाइन को प्रस्तुत करता है, जिसका उद्देश्य ध्रुवीकृत बीमों के उच्च-ल्यूमिनोसिटी टकरावों के माध्यम से प्रोटॉन और ड्यूटेरॉन की स्पिन संरचना, विशेष रूप से ग्लूऑन वितरण की जांच करना है।

मूल लेखक: A. Guskov

प्रकाशित 2026-02-02

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CC BY 4.0

मूल लेखक: A. Guskov

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

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड सूक्ष्म, अदृश्य लेगो ब्रिक्स (Lego bricks) से बना है जिन्हें प्रोटॉन और न्यूट्रॉन कहा जाता है। लंबे समय तक, वैज्ञानिकों को लगा कि वे जानते थे कि ये ईंटें आपस में कैसे जुड़ी हुई हैं। लेकिन 1970 के दशक में, एक प्रसिद्ध प्रयोग ने एक चौंका देने वाला रहस्य उजागर किया: प्रोटॉन के भीतर के सूक्ष्म हिस्से (क्वार्क्स) केवल प्रोटॉन के "स्पिन" (उसकी आंतरिक घूमने वाली गति) के एक छोटे से अंश की व्याख्या करते हैं। यह एक लट्टू को घुमाने जैसा है और यह महसूस करना कि दृश्य भाग केवल 30% स्पिन की व्याख्या करते हैं; बाकी हिस्सा अंदर छिपी किसी चीज़ से आ रहा होगा।

यह रहस्य ही है जिसे रूस में NICA सुविधा के अंतर्गत SPD प्रोजेक्ट हल करने का लक्ष्य रखता है। NICA को एक विशाल, हाई-स्पीड रेसट्रैकक के रूप में समझें जहाँ वैज्ञानिक सूक्ष्म कणों को आपस में टकराते हैं ताकि यह देख सकें कि उनसे क्या बाहर निकलता है। SPD (स्पिन फिजिक्स डिटेक्टर) टकराव स्थल पर बनाया गया एक विशाल, हाई-टेक कैमरा और सेंसर सूट है जो इन टकरावों की 3D तस्वीरें लेता है।

यहाँ एक सरल विवरण दिया गया है कि वे क्या कर रहे हैं और यह क्यों महत्वपूर्ण है, जो इस शोध पत्र पर आधारित है:

1. लक्ष्य: "भूतिया" स्पिन (Ghost Spin) को खोजना

लुप्त स्पिन के लिए मुख्य संदिग्ध ग्लूऑन्स (gluons) हैं। यदि क्वार्क्स ईंटें हैं, तो ग्लूऑन्स वह सुपर-स्ट्रॉन्ग गोंद है जो उन्हें एक साथ थामे रखता है। SPD का लक्ष्य यह मानचित्र बनाना है कि प्रोटॉन और उसके एक भारी संबंधी, जिसे ड्यूटेरॉन (एक प्रोटॉन और न्यूट्रॉन का समूह) कहा जाता है, के भीतर ग्लूऑन्स ठीक कैसे घूम रहे हैं और कैसे चल रहे हैं।

वे केवल "फॉरवर्ड" (सामने की ओर) स्पिन नहीं देख रहे हैं; वे "साइडवेज" (बगल की ओर) स्पिन और 3D स्पेस में कणों की गति को भी देखना चाहते हैं। यह एक घूमती हुई बास्केटबॉल को देखने जैसा है—केवल यह न देखना कि वह कैसे घूम रही है, बल्कि यह देखना कि उसके चारों ओर हवा कैसे घूम रही है और चमड़ा कैसे खिंच रहा है।

2. उपकरण: तीन विशेष "फ्लैशलाइट्स"

इन अदृश्य ग्लूऑन्स को देखने के लिए, SPD तीन विशिष्ट "प्रोब्स" (कणों को टकराने के तरीके) का उपयोग करता है जो अलग-अलग रंग की फ्लैशलाइट की तरह काम करते हैं और छिपे हुए विवरणों को प्रकट करते हैं:

चार्मोनिया (Charmonia): कणों को टकराकर भारी, अल्पकालिक "भूतिया" कण बनाना जो ग्लूऑन की संरचना को प्रकट करते हैं।
ओपन चार्म (Open Charm): ऐसे कण बनाना जिनमें "चार्म" क्वार्क्स होते हैं ताकि ग्लूऑन्स के पथ का पता लगाया जा सके।
प्रॉम्प्ट फोटोन (Prompt Photons): उच्च ऊर्जा वाली प्रकाश की चमक (फोटोन) को पकड़ना जो सीधे टकराव से उत्पन्न होती है, जो ग्लूऑन के व्यवहार के प्रत्यक्ष संकेत के रूप में कार्य करती है।

इन तीन तरीकों से प्राप्त परिणामों की तुलना करके, वे एक पूर्ण चित्र बना सकते हैं, ठीक वैसे ही जैसे मानव शरीर का पूर्ण दृश्य प्राप्त करने के लिए X-रे, MRI और CT स्कैन का उपयोग किया जाता है।

3. अद्वितीय लाभ: एकमात्र विकल्प

पेपर एक महत्वपूर्ण बिंदु पर प्रकाश डालता है: NICA वर्तमान में पृथ्वी पर एकमात्र ऐसी जगह है जो इन विशिष्ट गतियों पर पोलराइज्ड (संरेखित-स्पिन वाले) प्रोटॉन और ड्यूटेरॉन को आपस में टकरा सकती है।

ऊर्जा रेंज: अधिकांश अन्य मशीनें या तो बहुत धीमी हैं (केवल "सॉफ्ट" भौतिकी देखती हैं) या बहुत तेज़ हैं (केवल "हार्ड" भौतिकी देखती हैं)। NICA विशेष है क्योंकि यह धीमी से तेज़ तक की ऊर्जा रेंज को स्कैन कर सकता है। यह वैज्ञानिकों को यह देखने की अनुमति देता है कि भौतिकी के नियम कहाँ बदलते हैं, जैसे कि परफेक्ट फोकस खोजने के लिए कैमरा ज़ूम इन और ज़ूम आउट करता है।
ड्यूटेरॉन का रहस्य: SPD ड्यूटेरॉन को आपस में टकराने की योजना बना रहा है। चूंकि ड्यूटेरॉन दो कणों से बना होता है, इसलिए इसमें एक विशेष "टेंसर" स्पिन (एक जटिल, बहु-दिशात्मक घुमाव) हो सकता है जो एकल प्रोटॉन में नहीं होता है। यदि वे यहाँ एक नया प्रकार का स्पिन पाते हैं, तो इसका मतलब यह हो सकता है कि पदार्थ कैसे बना है, इसके लिए पूरी तरह से नए नियम या "डिग्री ऑफ फ्रीडम" मौजूद हैं।

4. मशीन: एक हाई-स्पीड कैमरा

डिटेक्टर को एक "यूनिवर्सल 4π डिटेक्टर" के रूप में वर्णित किया गया है। कल्पना कीजिए कि टकराव के बिंदु के चारों ओर सेंसर का एक गोला है, जो हर दिशा में उड़ने वाली हर चीज़ को कैप्चर करता है।

सिलिकॉन वर्टेक्स डिटेक्टर: यह हाई-रिज़ॉल्यूशन लेंस है। यह इतना सटीक है कि यह एक मानव बाल से भी छोटे स्थान (100 माइक्रोमीटर) में होने वाले कण क्षय (decay) को भी पहचान सकता है।
मैग्नेट (चुंबक): एक विशाल सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट कणों के पथ को मोड़ता है, जिससे कंप्यूटर उनकी गति और द्रव्यमान की गणना कर सकता है।
"ट्रिगरलेस" सिस्टम: आमतौर पर, कैमरे केवल बटन दबाने पर फोटो लेते हैं। यह सिस्टम एक सुरक्षा कैमरे की तरह है जो बिना रुके 24/7 सब कुछ रिकॉर्ड करता है, क्योंकि टकराव इतनी तेज़ी से (प्रति सेकंड 40 लाख बार) होते हैं कि वे एक भी फ्रेम मिस नहीं कर सकते।

5. टाइमलाइन: भविष्य का निर्माण

यह प्रोजेक्ट वर्तमान में निर्माण चरण में है।

चरण 1 (अब): वे कम गति और कम तीव्रता के साथ एक सरल सेटअप के साथ शुरुआत करेंगे। यह उपकरणों का परीक्षण करने और बुनियादी टकरावों का अध्ययन करने के लिए एक "सॉफ्ट ओपनिंग" की तरह है।
चरण 2 (2030 का दशक): पूरी तरह से निर्मित होने के बाद, यह मशीन अपनी पूरी शक्ति से चलेगी, जिसका लक्ष्य ग्लूऑन स्पिन के बड़े रहस्यों को सुलझाना और प्रोटॉन का अब तक का सबसे विस्तृत 3D मानचित्र प्रदान करना है।

संक्षेप में: SPD प्रोजेक्ट परमाणु दुनिया के लिए अंतिम सूक्ष्मदर्शी (microscope) बनाने का एक विशाल अंतर्राष्ट्रीय प्रयास है। स्पिन करने वाले कणों को एक अनूठे तरीके से टकराकर, वे अंततः दशकों पुराने प्रश्न का उत्तर देने की उम्मीद करते हैं: "प्रोटॉन किससे बना है, और यह कैसे घूमता है?"

NICA में SPD परियोजना का तकनीकी सारांश

समस्या और वैज्ञानिक संदर्भ
न्यूक्लियॉन स्पिन (nucleon spin) की मौलिक उत्पत्ति क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स (QCD) में एक केंद्रीय प्रश्न बनी हुई है। जबकि CERN में EMC प्रयोग ने यह खुलासा किया कि प्रोटॉन के स्पिन में क्वार्क स्पिन का योगदान केवल एक छोटा अंश है, ग्लुऑन स्पिन (हेलिसिटी) और कक्षीय कोणीय संवेग (orbital angular momentum) के योगदानों की आगे जांच की आवश्यकता है। SLAC, SMC, COMPASS, HERMES और RHIC के पिछले प्रयोगों ने ग्लुऑन हेलिसिटी और ट्रांसवर्स मोमेंटम डिस्ट्रीब्यूशन (TMDs) पर कुछ सीमाएं निर्धारित की हैं, फिर भी महत्वपूर्ण अंतराल बने हुए हैं, विशेष रूप से प्रोटॉन की 3D संरचना और मध्यवर्ती से उच्च ब्योर्केन- $x$ (Bjorken- $x$ ) पर ग्लुऑन्स के व्यवहार के संबंध में। इसके अलावा, ग्लुऑन ट्रांसवर्सिटी डिस्ट्रीब्यूशन, जो स्पिन-1/2 न्यूक्लियॉन के लिए शून्य होता है, स्पिन-1 ड्यूटेरॉन के लिए नए डिग्री ऑफ फ्रीडम (degrees of freedom) के लिए एक अनूही जांच प्रदान करता है। JINR में NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) कॉम्प्लेक्स इस उद्देश्य को संबोधित करने के लिए संचालित होने का लक्ष्य रखता है, जो एक समर्पित ध्रुवीकृत हैड्रोन कोलाइडर (polarized hadron collider) के रूप में कार्य करेगा, जो वर्तमान और नियोजित सुविधाओं के बीच एक अद्वितीय क्षमता है।

कार्यप्रणाली और प्रयोगात्मक सेटअप
SPD (Spin Physics Detector) को NICA कोलाइडर के दो इंटरेक्शन पॉइंट्स में से एक पर स्थित एक सार्वभौमिक, $4\pi$ डिटेक्टर के रूप में डिज़ाइन किया गया है। यह सुविधा $\sqrt{s} = 27$ GeV तक की टक्कर ऊर्जा और $10^{32} \text{ cm}^{-2} \text{ s}^{-1}$ की डिज़ाइन ल्यूमिनोसिटी के साथ उच्च-तीव्रता वाले ध्रुवीकृत प्रोटॉन और ड्यूटेरॉन बीम का उपयोग करती है।

प्रयोगात्मक कार्यप्रणाली ध्रुवीकृत ग्लुऑन सामग्री तक पहुँचने के लिए तीन पूरक 'हार्ड प्रोब्स' का उपयोग करके विशिष्ट सिंगल और डबल स्पिन एसिमेट्रीज (asymmetries) को मापने पर आधारित है:

चारमोनिया का समावेशी उत्पादन (जैसे, $J/\psi$ , $\psi(2S)$ )।
ओपन चारम उत्पादन।
उच्च- $p_T$ प्रॉम्प्ट फोटॉन उत्पादन।

ये प्रक्रियाएं ग्लुऑन हेलिसिटी फंक्शन $\Delta g(x)$ और ग्लुऑन TMDs के प्रति संवेदनशील हैं। इसके अतिरिक्त, प्रयोग क्वार्क डिस्ट्रीब्यूशन की जांच के लिए लाइट मेसॉन (पायोन) के समावेशी उत्पादन और ड्रेल-यान (Drell-Yan) प्रक्रियाओं का उपयोग करेगा। डिटेक्टर डिज़ाइन में निम्नलिखित शामिल हैं:

सिलिकॉन वर्टेक्स डिटेक्टर: $<100 \, \mu\text{m}$ के रिज़ॉल्यूशन के साथ $D$ -मेसॉन क्षय के सेकेंडरी वर्टेक्स पुनर्निर्माण के लिए।
स्ट्रॉ ट्यूब ट्रैकिंग सिस्टम: एक 1 T सुपरकंडक्टिंग सोलेनॉइड के भीतर स्थित, जो 1 GeV/ $c$ पर $p_T$ रिज़ॉल्यूशन $\sigma_{p_T}/p_T \approx 2\%$ प्रदान करता है।
टाइम-ऑफ-फ्लाइट (ToF) सिस्टम: कण पहचान ( $\pi/K/p$ पृथक्करण) के लिए $\sim 60$ ps रिज़ॉल्यूशन के साथ।
FARICH: विस्तारित मोमेंटम रेंज पहचान के लिए एक फोकसिंग एयरो जेल रिंग-इमेजिंग चेरेनकोव डिटेक्टर।
इलेक्ट्रोमैग्नेटिक कैलोरीमीटर: सैंपलिंग प्रकार, ऊर्जा रिज़ॉल्यूशन $\sim 5\%/\sqrt{E} \oplus 1\%$ ।
रेंज सिस्टम: म्यूऑन पहचान और रफ हैड्रोन कैलोरीमेट्री के लिए।
ल्यूमिनोसिटी और पोलारिमेट्री: बीम-बीम काउंटर और ज़ीरो डिग्री कैलोरीमीटर।

डेटा एक्विजिशन सिस्टम को 4 MHz तक की टक्कर दरों को संभालने के लिए फ्री-रनिंग (ट्रिगरलेस) डिज़ाइन किया गया है। पहले चरण का निर्माण, जिसमें मैग्नेट, ट्रैकर और कैलोरीमीटर शामिल हैं, JINR की सात वर्षीय विकास योजना (2024-2030) में शामिल है।

प्रमुख योगदान और भौतिकी कार्यक्रम
यह शोध पत्र दो चरणों में विभाजित भौतिकी कार्यक्रम की रूपरेखा प्रस्तुत करता है:

प्रथम चरण (कम ऊर्जा/कम ल्यूमिनोसिटी): $p-p$ के लिए $\sqrt{s} < 9.4$ GeV और $d-d$ टकरावों के लिए $\sqrt{s} < 4.5$ GeV/न्यूक्लियॉन पर संचालन। यह चरण निम्नलिखित पर केंद्रित है:
- ध्रुवीकृत इलास्टिक $p-p$ और $d-d$ स्कैटरिंग।
- हाइपरॉन उत्पादन और मल्टीक्वार्क रेजोनेंस में स्पिन प्रभाव।
- नियर-थ्रेशोल्ड चारमोनिया उत्पादन।
- ड्यूटेरॉन में टेंसर पोलराइजेशन का अध्ययन।
मुख्य भौतिकी कार्यक्रम (उच्च ऊर्जा): $\sqrt{s} \leq 27$ GeV पर संचालन। प्राथमिक लक्ष्यों में शामिल हैं:
- ग्लुऑन हेलिसिटी: चारमोनिया, ओपन चारम और प्रॉम्प्ट फोटॉन उत्पादन में डबल स्पिन एसिमेट्रीज ( $A_{LL}$ ) के माध्यम से $\Delta g(x)$ का निर्धारण। प्रॉम्प्ट फोटॉन विशेष रूप से ग्लुऑन हेलिसिटी के चिह्न (sign) को निर्धारित करने की क्षमता के लिए नोट किए गए हैं।
- ग्लुऑन TMDs: ट्रांसवर्स सिंगल-स्पिन एसिमेट्रीज (SSAs) के माध्यम से ग्लुऑन सिवर्स फंक्शन (Sivers function) और अन्य TMD PDFs की जांच।
- ग्लुऑन ट्रांसवर्सिटी: ड्यूटेरॉन में गैर-शून्य ग्लुऑन ट्रांसवर्सिटी की खोज, जो सरल न्यूक्लियॉन योगदानों से परे नए डिग्री ऑफ फ्रीडम को इंगित करेगी।
- अनपोलराइज्ड ग्लुऑन PDFs: प्रोटॉन और ड्यूटेरॉन में उच्च $x$ ( $x > 0.5$ ) पर अनपोलराइज्ड ग्लुऑन घनत्व को सीमित करना।
- फैक्टराइजेशन लिमिट्स: नॉन-पर्टर्बेटिव रिजीम (कुछ GeV) से पर्टर्बेटिव रिजीम (27 GeV) तक ऊर्जाओं को स्कैन करके, SPD विभिन्न फैक्टराइजेशन दृष्टिकोणों की प्रयोज्यता की सीमाओं को प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित करने का लक्ष्य रखता है।

परिणाम और दावे
यह शोध पत्र प्रयोगात्मक डेटा प्रस्तुत नहीं करता है, क्योंकि सुविधा अभी निर्माणाधीन है। इसके बजाय, यह डिज़ाइन विनिर्देशों और अपेक्षित भौतिकी क्षमता को प्रस्तुत करता है। लेखकों का दावा है कि SPD:

ग्लुऑन TMDs और ड्यूटेरॉन में ग्लुऑन ट्रांसवर्सिटी डिस्ट्रीब्यूशन तक अनूठी पहुंच प्रदान करेगा, जो अन्य सुविधाओं में अप्राप्य है।
कम ऊर्जा वाले फिक्स्ड-टारगेट प्रयोगों और RHIC के बीच के ऊर्जा अंतराल को भरेगा, जिससे स्पिन-डिपेंडेंट पार्टोनिक संरचनाओं का निरंतर अध्ययन संभव होगा।
टेंसर-ध्रुवीकृत बीम के माध्यम से ड्यूटेरॉन की टेंसर संरचना के अध्ययन के लिए एक अनूठा प्रयोगशाला प्रदान करेगा।
इलेक्ट्रॉन-आयन कोलाइडर (EIC) और अन्य सुविधाओं के भौतिकी कार्यक्रमों के पूरक के रूप में, मध्यवर्ती ऊर्जा सीमा और विशिष्ट ग्लुऑन प्रोब्स पर ध्यान केंद्रित करेगा।

महत्व
SPD परियोजना का महत्व न्यूक्लियॉन की 3D टॉमोग्राफी को आगे बढ़ाने की इसकी क्षमता में निहित है, जो विशेष रूप से ग्लुओनिक क्षेत्र पर केंद्रित है। निकट भविष्य के लिए दुनिया के एकमात्र नियोजित ध्रुवीकृत हैड्रोन कोलाइडर के रूप में, NICA/SPD परमाणु टकरावों में स्पिन-डिपेंडेंट प्रभावों का अध्ययन करने का एक अनूना अवसर प्रदान करता है। परियोजना का लक्ष्य प्रोटॉन स्पिन में ग्लुऑन हेलिसिटी योगदान के परिमाण और चिह्न के संबंध में खुले प्रश्नों को हल करना और टेंसर पोलराइजेशन के माध्यम से ड्यूटेरॉन की आंतरिक संरचना की खोज करना है। यह शोध पत्र इस बात पर जोर देता है कि पूर्ण ग्लुऑन भौतिकी कार्यक्रम का कार्यान्वयन 2030 के दशक के लिए नियोजित है, जो SPD को मजबूत संपर्क (strong interaction) को समझने के वैश्विक प्रयास के एक महत्वपूर्ण, पूरक घटक के रूप में स्थापित करता है।

1. लक्ष्य: "भूतिया" स्पिन (Ghost Spin) को खोजना

2. उपकरण: तीन विशेष "फ्लैशलाइट्स"

3. अद्वितीय लाभ: एकमात्र विकल्प

4. मशीन: एक हाई-स्पीड कैमरा

5. टाइमलाइन: भविष्य का निर्माण

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