⚛️ nuclear experiments

Deuteron coalescence probability in jets in p-Pb collisions at $\sqrt{s_{\rm NN}} = 5.02$ TeV

यह शोध पत्र 5.02 TeV पर p-Pb टकरावों में ड्यूटेरॉन कोलेसेंस पैरामीटर्स के पहले मापन को प्रस्तुत करता है, जो अंडरलाइंग इवेंट की तुलना में जेट्स के भीतर कोलेसेंस पैरामीटर की एक महत्वपूर्ण वृद्धि को प्रकट करता है, एक ऐसा निष्कर्ष जो pp टकरावों में समान अवलोकनों से अधिक है और PYTHIA 8.314 सिमुलेशन द्वारा गुणात्मक रूप से पुनरुत्पादित किया गया है।

मूल लेखक: ALICE Collaboration

प्रकाशित 2026-02-27

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CC BY 4.0

मूल लेखक: ALICE 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

मुख्य तस्वीर: एक ब्रह्मांडीय तूफान में निर्माण खंड (Building Blocks)

लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (LHC) को CERN के सबसे शक्तिशाली "टक्कर" (smash-up) मशीन के रूप में कल्पना करें। वैज्ञानिक प्रोटॉन और लेड नाभिकों (lead nuclei) को लगभग प्रकाश की गति से एक-दूसरे पर दागते हैं। जब वे आपस में टकराते हैं, तो वे ऊर्जा का एक छोटा, अत्यंत गर्म गोला बनाते हैं जो तुरंत नए कणों की बौछार में बदल जाता है।

दशकों से, भौतिक विज्ञानी यह समझने की कोशिश कर रहे हैं कि ये कण भारी चीजों को बनाने के लिए कैसे आपस में जुड़ते हैं, जैसे कि ड्यूटेरॉन (एक नाभिक जो एक प्रोटॉन और एक न्यूट्रॉन से बना होता है)। ड्यूटेरॉन को एक छोटे "चुंबकीय जोड़े" के रूप में सोचें जो तब बनता है जब एक प्रोटॉन और एक न्यूट्रॉन संयोग से एक-दूसरे के इतने करीब होते हैं और एक ही गति से चल रहे होते हैं कि वे एक-दूसरे को थाम सकें।

यह शोध पत्र एक बहुत ही विशिष्ट प्रश्न पूछता है: क्या वह वातावरण जहाँ ये कण पैदा होते हैं, उनके आपस में जुड़ने की संभावना को बदल देता है?

विशेष रूप से, टीम ने टक्कर के भीतर दो अलग-अलग "पड़ोसों" को देखा:

अंडरलाइंग इवेंट (The Underlying Event): टक्कर का अराजक, अव्यवस्थित बैकग्राउंड शोर, जहाँ कण बेतरतीब ढंग से हर तरफ उड़ रहे हैं।
जेट (The Jet): कणों की एक केंद्रित, उच्च-गति वाली "धारा" जो एक विशिष्ट दिशा में निकलती है, जैसे मलबे का एक शक्तिशाली फव्वारा।

उपमा: भीड़ बनाम परेड

इन दो अलग-अलग पड़ोसों के बीच के अंतर को समझने के लिए, एक विशाल संगीत कार्यक्रम (concert) की कल्पना करें:

अंडरलाइंग इवेंट (भीड़): सामान्य दर्शकों की कल्पना करें। लोग पूरे स्टेडियम में बिखरे हुए हैं, अलग-अलग दिशाओं में घूम रहे हैं, बातें कर रहे हैं और एक-दूसरे से टकरा रहे हैं। यदि आप चाहते हैं कि दो विशिष्ट लोग (एक प्रोटॉन और एक न्यूट्रॉन) एक-दूसरे को ढूंढ लें और हाथ पकड़ लें (एक ड्यूटेरॉन बनाएं), तो यह काफी कठिन होगा। वे बहुत दूर हैं और बहुत अराजक तरीके से चल रहे हैं।
जेट (परेड): अब, भीड़ के बीच से गुजरते हुए एक मार्चिंग बैंड (जेट) की कल्पना करें। बैंड में हर कोई एक ही दिशा में, एक ही गति से चल रहा है, और एक-दूसरे के बहुत करीब खड़ा है। यदि आप चाहते हैं कि बैंड के दो सदस्य हाथ पकड़ लें, तो यह अविश्वसनीय रूप से आसान होगा क्योंकि वे पहले से ही एक-दूसरे के बिल्कुल बगल में हैं और तालमेल में चल रहे हैं।

उन्होंने क्या पाया

ALICE टीम ने प्रोटॉन-लेड टक्करों के दौरान इन दो अलग-अलग "पड़ोसों" में ड्यूटेरॉन कितनी बार बनते हैं, इसका मापन किया।

"जेट" प्रभाव: उन्होंने पाया कि ड्यूटेरॉन "अंडरलाइंग इवेंट" (भीड़) की तुलना में "जेट" (परेड) के अंदर बहुत अधिक बार बनते हैं।
- वास्तव में, जेट में उनके आपस में जुड़ने की संभावना बैकग्राउंड की अराजकता की तुलना में 20 गुना से अधिक थी।
- क्यों? क्योंकि जेट में, कण अंतरिक्ष और समय में "गुच्छों" में होते हैं। वे एक साथ करीब होते हैं और एक जैसी गति से चलते हैं, जिससे उनका आपस में जुड़ना (coalesce) बहुत आसान हो जाता है।
तुलना: टीम ने केवल प्रोटॉन-प्रोटॉन टक्करों (छोटे धमाकों) के साथ किए गए समान प्रयोगों के परिणामों की तुलना की। उन्होंने पाया कि "गुच्छों में होने" का यह प्रभाव प्रोटॉन-लेड टक्करों में छोटी टक्करों की तुलना में और भी अधिक मजबूत था। इससे पता चलता है कि टक्कर का "कमरा" कितना बड़ा है, यह मायने रखता है। बड़े प्रोटॉन-लेड टकराव में, बैकग्राउंड की भीड़ अधिक फैली हुई होती है, जिससे "परेड" (जेट) तुलनात्मक रूप से और भी विशेष दिखाई देती है।

यह क्यों मायने रखता है?

आप सोच रहे होंगे, "हमें इन नन्हे प्रोटॉन-न्यूट्रॉन जोड़ों की परवाह क्यों है?"

पदार्थ के रहस्य को सुलझाना: हम अभी भी पूरी तरह से नहीं समझते हैं कि ब्रह्मांड में हल्के नाभिक बनने की सटीक रेसिपी क्या है। यह प्रयोग हमारे सिद्धांतों का परीक्षण करने में मदद करता है। यह पुष्टि करता है कि "कोलेसेंस मॉडल" (यह विचार कि कण आपस में जुड़ जाते हैं यदि वे पास और एक साथ चल रहे हों) वास्तविकता का एक अच्छा वर्णन है।
डार्क मैटर की खोज: यह एक बहुत बड़ी बात है। वैज्ञानिक अंतरिक्ष में कॉस्मिक किरणों (cosmic rays) के माध्यम से एंटी-ड्यूटेरॉन (ड्यूटेरॉन का एंटीमैटर संस्करण) को देखने के लिए अंतरिक्ष दूरबीनों (जैसे AMS-02) का उपयोग करते हैं। यदि वे उन्हें पाते हैं, तो यह डार्क मैटर के नष्ट होने (annihilating) का संकेत हो सकता है।
- समस्या: हमें यह नहीं पता कि कॉस्मिक किरणों द्वारा अंतरिक्ष की धूल से टकराने पर कितने एंटी-ड्यूटेरॉन प्राकृतिक रूप से बनते हैं (यह "बैकग्राउंड शोर" है)।
- समाधान: कणों के टकराव (जैसे CERN में) में ये कण ठीक कैसे बनते हैं, इसे समझकर, वैज्ञानिक प्राकृतिक बैकग्राउंड की बेहतर भविष्यवाणी कर सकते हैं। यह उन्हें शोर को फिल्टर करने और डार्क मैटर के वास्तविक सिग्नल को पहचानने में मदद करता है।

निष्कर्ष

शोध पत्र यह निष्कर्ष निकालता है कि संदर्भ (Context) ही सब कुछ है। ठीक वैसे ही जैसे एक भीड़ भरे कमरे में दोस्त को ढूंढना आसान होता है यदि आप दोनों एक तंग घेरे (जेट) में खड़े हों, बजाय इसके कि आप स्टेडियम में बिखरे हुए हों (बैकग्राउंड), कण भी आपस में जुड़ने के लिए बहुत अधिक इच्छुक होते हैं यदि वे एक केंद्रित, उच्च-ऊर्जा धारा में पैदा होते हैं।

टीम ने एक कंप्यूटर सिमुलेशन (PYTHIA) का भी परीक्षण किया कि क्या यह भविष्यवाणी कर सकता है। सिमुलेशन ने सामान्य विचार को सही पकड़ा (उसने "गुच्छों" के प्रभाव को देखा), लेकिन इसने इस प्रभाव के कितना मजबूत होने को थोड़ा कम करके आंका। यह भौतिकविज्ञानों को बताता है कि उनके कंप्यूटर मॉडल को क्वांटम दुनिया की इस अस्त-व्यस्त वास्तविकता से पूरी तरह मेल खाने के लिए थोड़े 'ट्यूनिंग' की आवश्यकता है।

संक्षेप में: ब्रह्मांड एक अराजक जगह है, लेकिन जब कण एक उच्च-गति वाली धारा में व्यवस्थित होते हैं, तो वे टीम बनाने और कुछ नया बनाने के लिए बहुत अधिक इच्छुक होते हैं।

यहाँ ALICE सहयोग द्वारा $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV पर $p$ –Pb टकरावों में जेट्स के भीतर ड्यूटेरॉन संलयन प्रायिकता (deuteron coalescence probability) पर आधारित शोध पत्र का विस्तृत तकनीकी सारांश दिया गया है।

1. समस्या विवरण और प्रेरणा

हल्के (एंटी)नाभिकों (जैसे ड्यूटेरॉन, ट्राइटन और हीलियम-3) के उत्पादन तंत्र का निर्माण उच्च-ऊर्जा नाभिकीय भौतिकी में एक खुला प्रश्न बना हुआ है। दो प्राथमिक सैद्धांतिक ढांचे मौजूद हैं:

सांख्यिकीय हैड्रोनाइज़ेशन मॉडल (SHM): यह मानता है कि हैड्रोन एक तापीय साम्यावस्था (thermal equilibrium) वाले स्रोत से उत्सर्जित होते हैं।
संलयन मॉडल (Coalescence Model): यह प्रस्तावित करता है कि नाभिक तब बनते हैं जब प्रोटॉन और न्यूट्रॉन फेज स्पेस (संवेग और स्थिति) में एक-दूसरे के करीब होते हैं।

जबकि ये मॉडल बल्क उत्पादन का अच्छी तरह से वर्णन करते हैं, वे विशिष्ट काइनेमैटिक वातावरणों में यील्ड (yields) की भविष्यवाणी करने में संघर्ष करते हैं। कोलेसेंस (संलयन) मॉडल के लिए एक महत्वपूर्ण परीक्षण जेट्स के भीतर बनाम अंडरलाइंग इवेंट (UE) में हल्के नाभिकों का उत्पादन है।

परिकल्पना: जेट्स में, हैड्रोन उच्च-ऊर्जा पार्टोन्स के विखंडन (fragmentation) के माध्यम से उत्पन्न होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप कण अनकोरिलेटेड अंडरलाइंग इवेंट के कणों की तुलना में फेज स्पेस में एक-दूसरे के अधिक करीब होते हैं। कोलेसेंस मॉडल जेट्स के भीतर संलयन प्रायिकता ( $B_2$ ) में महत्वपूर्ण वृद्धि की भविष्यवाणी करता है।
संदर्भ: 13 TeV पर $pp $टकरावों में पिछले मापों ने इस वृद्धि को दिखाया था। यह शोध पत्र$ $टकरावोंमेंपिछलेमापोंनेइसवृद्धिकोदिखायाथा।यहशोधपत्र$ p$–Pb टकरावों में इस अध्ययन को 5.02 TeV पर विस्तारित करने का लक्ष्य रखता है ताकि यह जांचा जा सके कि:
1. क्या बड़े स्रोत आकार (लीड नाभिक के कारण) वाले सिस्टम में भी यह वृद्धि बनी रहती है।
2. क्या "जेट हैड्रोकेमिस्ट्री" (कण प्रजातियों का संयोजन) टकराव प्रणाली ($pp $बनाम$ p$–Pb) पर निर्भर करती है।
3. अप्रत्यक्ष डार्क मैटर खोजों के लिए बाधाएं प्रदान करना, जहाँ कॉस्मिक किरणों की अंतःक्रियाओं से उत्पन्न होने वाले एंटी-न्यूक्लिआई फ्लक्स को सटीक रूप से मॉडल किया जाना चाहिए।

2. कार्यप्रणाली

डेटा सैंपल और इवेंट चयन

टकराव प्रणाली: प्रोटॉन-लेड ( $p$ –Pb) टकराव, प्रति न्यूक्लियॉन जोड़ी $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV की केंद्र-द्रव्यमान ऊर्जा पर।
डेटासेट: रन 2 डेटा (2016), लगभग 310 मिलियन मिनिमम-बायस इवेंट्स।
जेट परिभाषा: उन इवेंट्स को चुना गया जिनमें कम से कम एक चार्ज प्राइमरी पार्टिकल $p_T^{lead} > 5$ GeV/c के साथ मौजूद था। यह लीडिंग पार्टिकल जेट अक्ष के प्रॉक्सी (proxy) के रूप में कार्य करता है।
अजीमुथल क्षेत्र (Azimuthal Regions): विश्लेषण लीडिंग पार्टिकल के सापेक्ष तीन क्षेत्रों में इवेंट को विभाजित करता है ( $\Delta\phi = |\phi - \phi_{lead}|$ $Δ ϕ = ∣ ϕ - ϕ_{l e a d} ∣$ ):
1. ट्वॉर्ड (Toward): $|\Delta\phi| < 60^\circ$ (इसमें लीडिंग जेट + अंडरलाइंग इवेंट शामिल है)।
2. अवे (Away): $|\Delta\phi| > 120^\circ$ (इसमें रिकोइल जेट + अंडरलाइंग इवेंट शामिल है)।
3. ट्रांसवर्स (Transverse): $60^\circ < |\Delta\phi| < 120^\circ$ (यह अंडरलाइंग इवेंट द्वारा प्रधान है)।
इन-जेट निष्कर्षण (In-Jet Extraction): "इन-जेट" यील्ड ट्रांसवर्स क्षेत्र के वितरण में से टॉवर्ड क्षेत्र के वितरण को घटाकर प्राप्त की जाती है।

कण पहचान (PID) और पुनर्निर्माण

डिटेक्टर: इनर ट्रैकिंग सिस्टम (ITS), टाइम प्रोजेक्शन चैंबर (TPC), और टाइम-ऑफ-फ्लाईट (TOF)।
प्रजातियाँ: (एंटी)ड्यूटेरॉन ( $d/\bar{d}$ $d / \overset{ˉ}{d}$ ) और एंटिप्रोटॉन ( $\bar{p}$ $\overset{p}{ˉ}$ )।
- नोट: सांख्यिकी को अधिकतम करने के लिए मैटर और एंटीमैटर दोनों ड्यूटेरॉन का उपयोग किया जाता है, जबकि एंटिप्रोटॉन का उपयोग प्राइमरी प्रोटॉन के प्रॉक्सी के रूप में किया जाता है (क्योंकि एंटीमैटर के लिए सेकेंडरी संदूषण नगण्य है)।
PID रणनीति:
- निम्न $p_T$ ( $0.3 < p_T < 0.7$ GeV/c $\bar{p}$ के लिए; $0.6 < p_T < 1.2$ GeV/c $d/\bar{d}$ के लिए): इन्हें TPC में विशिष्ट ऊर्जा हानि ($dE/dx $) के माध्यम से$ 3\sigma$ के भीतर बेथे-ब्लोघ (Bethe-Bloch) अपेक्षा के आधार पर पहचाना जाता है।
- उच्च $p_T$ : संयुक्त TPC ($dE/dx$) और TOF (टाइम-ऑफ-फ्लाईट) जानकारी का उपयोग किया जाता है। सिग्नल निष्कर्षण में $n\sigma$ वितरणों को संशोधित गॉसियन फंक्शन (सिग्नल) और एक्सपोनेंशियल/पॉलीनोमियल (बैकग्राउंड) के साथ फिट करना शामिल है।
सुधार (Corrections): कच्चे यील्ड को रिकंस्ट्रक्शन एफिशिएंसी और एक्सेप्टेंस का उपयोग करके मोंटे कार्लो (MC) सिमुलेशन (अंडरलाइंग इवेंट के लिए HIJING, डिटेक्टर रिस्पॉन्स के लिए Geant4) का उपयोग करके सुधारा जाता है। सेकेंडरी पार्टिकल संदूषण (ड्यूटेरॉन के लिए स्पैलेशन, एंटिप्रोटॉन के लिए वीक डिके) को डिस्टेंस ऑफ क्लोजेस्ट अप्रोच (DCA) पर आधारित टेम्पलेट फिट का उपयोग करके घटाया जाता है।

अवलोकन परिभाषा

संलयन पैरामीटर ( $B_2$ ) की गणना इस प्रकार की जाती है:
$B_2 = \frac{1}{(2\pi/3)p_T^d} \frac{d^2N_d/dydp_T^d}{\left( \frac{1}{(2\pi/3)p_T^p} \frac{d^2N_p/dydp_T^p} \right)^2}$
जहाँ $p_T^p = p_T^d / 2$ है। यह पैरामीटर संलयन की प्रायिकता को मापता है। विश्लेषण जेट्स में $B_2$ ( $B_2^{jet}$ ) बनाम अंडरलाइंग इवेंट में $B_2$ ( $B_2^{UE}$ ) की तुलना करता है।

3. मुख्य योगदान

$p$ –Pb में प्रथम मापन: यह प्रोटॉन-नाभिक टकरावों में विशेष रूप से जेट्स के अंदर और बाहर (डी)ड्यूटेरॉन और एंटिप्रोटॉन वितरण का पहला मापन है।
सिस्टम साइज डिपेंडेंस: यह $pp $(छोटा सिस्टम) और$ p$–Pb (बड़ा सिस्टम) के बीच सीधा तुलनात्मक अध्ययन प्रदान करता है ताकि स्रोत आकार पर संलयन की निर्भरता का परीक्षण किया जा सके।
मॉडल सत्यापन: परिणामों की तुलना PYTHIA 8.314 के साथ Angantyr मॉडल का उपयोग करके की जाती है (जिसमें एक रिएक्शन-आधारित ड्यूटेरॉन उत्पादन मॉडल शामिल है), जो जेट-प्रेरित नाभिकीय निर्माण को दोहराने की मॉडल की क्षमता का परीक्षण करता है।
हैड्रोकेमिस्ट्री चेक: यह ड्यूटेरॉन-टू-प्रोटॉन यील्ड अनुपात ( $d/p$ ) का अध्ययन करता है ताकि यह निर्धारित किया जा सके कि क्या जेट संरचना टकराव प्रणाली के आधार पर भिन्न होती है।

4. परिणाम

ट्रांसवर्स मोमेंटम वितरण

ड्यूटेरॉन और एंटिप्रोटॉन के $p_T$ वितरण टॉवर्ड और अवे क्षेत्रों में संगत (compatible) हैं, जबकि ट्रांसवर्स क्षेत्र टॉवर्ड यील्ड का लगभग 90% है।
"इन-जेट" वितरण आउट-ऑफ-जेट वितरण की तुलना में हार्डनिंग (उच्च $p_T$ की ओर बदलाव) दिखाते हैं, जो जेट फ्रैगमेंटेशन की अपेक्षाओं के अनुरूप है।

संलयन पैरामीटर ( $B_2$ ) वृद्धि

महत्वपूर्ण वृद्धि: $p$ $p$ –Pb टकरावों में अंडरलाइंग इवेंट की तुलना में जेट्स में $B_2$ $B_{2}$ में बड़ी वृद्धि देखी गई है।
- परिमाण: $B_2^{jet}$ में $B_2^{UE}$ के सापेक्ष >20 के कारक से वृद्धि हुई है।
- महत्व: यह 4.6 $\sigma$ की सांख्यिकीय सार्थकता के अनुरूप है।
$pp$ के साथ तुलना: यह वृद्धि 13 TeV पर $pp$ में देखे गए ~15 के कारक से अधिक है।
अंडरलाइंग इवेंट दमन: $p$ –Pb के अंडरलाइंग इवेंट में $B_2$ का मान $pp $की तुलना में **कम** है। यह कोलेसेंस मॉडल की भविष्यवाणी के अनुरूप है कि एक बड़ा स्रोत आकार (फेंटोस्कोपी द्वारा$ p$–Pb में ~1.5 fm बनाम $pp$ में ~1 fm मापा गया) संलयन प्रायिकता को कम कर देता है क्योंकि न्यूक्लिऑन फेज स्पेस में अधिक फैले हुए होते हैं।
मॉडल तुलना: PYTHIA 8.314 (Angantyr) अंडरलाइंग इवेंट के सापेक्ष जेट्स में $B_2$ की बड़ी वृद्धि को गुणात्मक रूप से दोहराता है। हालांकि, मॉडल निम्न $p_T/A$ पर $B_2^{jet}$ को कम आंकता है, लेकिन वर्तमान सांख्यिकीय अनिश्चितताएं एक निश्चित निष्कर्ष निकालने से रोकती हैं।

ड्यूटेरॉन-टू-प्रोटॉन अनुपात ( $d/p$ )

दोनों टकराव प्रणालियों में जेट्स में $d/p$ $d / p$ अनुपात, UE की तुलना में बढ़ा हुआ है।
- $pp$: वृद्धि कारक 1–2।
- $p$ –Pb: वृद्धि कारक 2–4।
डबल रेशियो: $p$ –Pb और $pp $के बीच$ d/p$ अनुपातों का अनुपात (दोनों जेट और UE में) $1\sigma$ अनिश्चितता के भीतर एकता (unity) के संगत है। यह सुझाव देता है कि जेट हैड्रोकेमिस्ट्री (प्रजातियों का सापेक्ष संयोजन) संभवतः टकराव प्रणाली से स्वतंत्र है, हालांकि सीमित सांख्यिकी एक ठोस निष्कर्ष निकालने से रोकती है।

5. सार्थकता और निष्कर्ष

कोलेसेंस का सत्यापन: परिणाम कोलेसेंस चित्र का पुरजोर समर्थन करते हैं, यह प्रदर्शित करते हैं कि फेज स्पेस में न्यूक्लिऑन्स की निकटता (जैसा कि जेट्स में पाया जाता है) बंधित अवस्था (bound-state) के निर्माण को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ा देती है।
स्रोत आकार प्रभाव: $pp $की तुलना में$ p$–Pb के अंडरलाइंग इवेंट में कम $B_2$ का अवलोकन संलयन प्रायिकता और स्रोत आकार के बीच व्युत्क्रम संबंध (inverse relationship) की पुष्टि करता है।
खगोलीय निहितार्थ: ये माप कॉस्मिक किरणों में एंटी-न्यूक्लिआई उत्पादन के मॉडलिंग के लिए महत्वपूर्ण बाधाएं प्रदान करते हैं। जेट्स में न्यूक्लिआई उत्पादन के तंत्रों को समझना डार्क मैटर खोजों (जैसे AMS-02 और GAPS) के लिए बैकग्राउंड अनुमानों को परिष्कृत करने में मदद करता है, जहाँ एंटी-ड्यूटेरॉन एक संभावित संकेत हो सकते हैं।
भविष्य की राह: लेखक नोट करते हैं कि वर्तमान परिणाम सांख्यिकीय अनिश्चितताओं से प्रभावित हैं। LHC रन 3 के बड़े डेटासेट का उपयोग करने वाले भविष्य के विश्लेषण भारी नाभिकों (जैसे $^3$ He) तक इन अध्ययनों का विस्तार करेंगे और हल्के नाभिकों के निर्माण को और अधिक स्पष्ट करने के लिए पूर्ण जेट रिकंस्ट्रक्शन एल्गोरिदम का उपयोग करेंगे।