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Energy-energy correlators in p-Pb collisions at $\sqrt{s_{\rm NN}} = 5.02$ TeV

ALICE प्रयोग $\sqrt{s_{\rm NN}} = 5.02$ TeV पर p-Pb टकरावों में आवेशित-कण जेट्स के भीतर टू-पॉइंट एनर्जी-एनर्जी कोरिलेटर (EEC) का पहला मापन रिपोर्ट करता है, जो pp टकरावों के सापेक्ष एक संशोधन प्रकट करता है जिसे छोटे कोणों पर दमन और बड़े कोणों पर वृद्धि द्वारा अभिलक्षित किया गया है, जो भारी-आयन टकरावों में जेट-संरचना संशोधनों को समझने के लिए प्रासंगिक कोल्ड न्यूक्लियर मैटर प्रभावों के लिए नए प्रतिबंध प्रदान करता है।

मूल लेखक: ALICE Collaboration

प्रकाशित 2026-06-17

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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 चित्र: प्रोटॉन और लेड आयनों की टक्कर

कल्पना कीजिए कि लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (LHC) एक विशाल, तेज़ गति वाले रेसट्रैक की तरह है। आमतौर पर, वैज्ञानिक दो प्रोटॉन को आपस में टकराते हैं (जैसे दो छोटे कंचों को टकराना)। लेकिन इस प्रयोग में, उन्होंने एक प्रोटॉन को एक भारी लेड आयन (lead ion) से टकराया (जैसे एक कंचे को एक ऐसी बॉलिंग बॉल से टकराना जो 208 छोटे कंचों से मिलकर बनी हो)।

जब ये कण टकराते हैं, तो वे केवल टकराकर वापस नहीं आते; वे नए कणों के फुहार (shower) में टूट जाते हैं। ये कण जेट्स (jets) नामक घने, केंद्रित गुच्छों में बाहर निकलते हैं। एक जेट को पानी की एक शक्तिशाली होज़ (firehose) की तरह समझें जो पानी की जगह उप-परमाणु कणों की धारा छिड़क रही है।

उपकरण: "एनर्जी-एनर्जी कोरिलेटर" (EEC)

इन कणों की धार के अंदर क्या हो रहा है, इसे समझने के लिए वैज्ञानिकों ने एनर्जी-एनर्जी कोरिलेटर (EEC) नामक एक विशेष मापने वाले उपकरण का उपयोग किया।

उपमा: कल्पना कीजिए कि आप एक अंधेरे कमरे में अपने दोस्त के साथ खड़े हैं जो आपकी ओर मुट्ठी भर कंफेटी (confetti) फेंक रहा है।

जेट: कंफेटी की धारा।
EEC: यह मापने का एक तरीका कि कंफेटी की ऊर्जा कैसे फैली हुई है। यह पूछता है: "यदि मैं कंफेटी के दो टुकड़ों को चुनता हूँ, तो वे एक-दूसरे से कितनी दूर हैं, और वे कितने भारी हैं?"
- यदि कंफेटी आपस में कसकर जुड़ी हुई है, तो उनके बीच का कोण (angle) छोटा होगा।
- यदि कंफेटी दूर तक फैली हुई है, तो कोण बड़ा होगा।

लाखों टक्करों के लिए इस "कोण बनाम ऊर्जा" (angle vs. energy) को मापकर, वैज्ञानिक सटीक रूप से मानचित्र बना सकते हैं कि वह होज़ अपने भीतर के कणों को कैसे छिड़कती है। यह मानचित्र उन्हें जेट के भीतर होने वाली भौतिकी के बारे में बताता है, पहले विभाजन (perturbative) से लेकर अंतिम कण निर्माण (non-perturbative) तक।

प्रयोग: "कंचे" की तुलना "बॉलिंग बॉल" से करना

वैज्ञानिक यह देखना चाहते थे कि क्या वातावरण इन जेट्स के छिड़काव के तरीके को बदल देता है।

नियंत्रण समूह (pp): उन्होंने प्रोटॉन-प्रोटॉन टक्करों से निकलने वाले जेट्स को देखा। यह एक "साफ" आधार रेखा है, जैसे वैक्यूम में छिड़कता हुआ एक फायरहोज़।
परीक्षण समूह (p–Pb): उन्होंने प्रोटॉन-लेड टक्करों से निकलने वाले जेट्स को देखा। यहाँ, प्रोटॉन को अपना जेट शुरू करने से पहले लेड न्यूक्लियस की "भीड़" से होकर गुजरना पड़ता है। यह एक घने जंगल के बीच से फायरहोज़ चलाने जैसा है।

खोज: स्प्रे में एक हल्का सा "लहराव" (Wobble)

जब उन्होंने दोनों समूहों की तुलना की, तो उन्हें कुछ दिलचस्प मिला, लेकिन केवल कम ऊर्जा वाले जेट्स (एक विशिष्ट मोमेंटम रेंज 20–40 GeV/c) के लिए।

परिणाम: प्रोटॉन-लेड टक्करों में, प्रोटॉन-प्रोटॉन टक्करों की तुलना में स्प्रे का पैटर्न थोड़ा बदल गया।
- छोटे कोणों पर: स्प्रे कम हो गया (केंद्र के पास कम ऊर्जा)।
- बड़े कोणों पर: स्प्रे बढ़ गया (किनारों की ओर अधिक ऊर्जा धकेली गई)।

रूपक: एक कुशल धनुर्धर की कल्पना करें जो तीर छोड़ रहा है।

प्रोटॉन-प्रोटॉन टक्कर में, तीर सीधा और सघन उड़ता है।
प्रोटॉन-लेड टक्कर में, तीर थोड़ा लहराता (wobble) हुआ प्रतीत होता है। यह अपने अग्र भाग (छोटे कोणों) पर थोड़ी गति खो देता है लेकिन अपनी पूंछ (बड़े कोणों) पर थोड़ा फैल जाता है। ऐसा लगता है जैसे तीर बाहर निकलने के रास्ते में कुछ अदृश्य पत्तियों से टकराया हो, जिससे वह थोड़ा फैल गया।

महत्वपूर्ण: उच्च-ऊर्जा वाले जेट्स (40–80 GeV/c) के लिए, कोई अंतर नहीं था। "फायरहोज़" इतना शक्तिशाली था कि लेड न्यूक्लियस की "भीड़" उसे परेशान नहीं कर सकी।

इसका कारण क्या था? (जांच)

वैज्ञानिकों को यह पता लगाना था कि स्प्रे क्यों बदला। उन्होंने कई सिद्धांतों का परीक्षण किया:

क्या यह लेड के अंदर की "भीड़" है? उन्होंने जांचा कि क्या कणों का घनत्व या टक्कर की दिशा मायने रखती है। परिणाम: नहीं। यह बदलाव इस बात पर निर्भर नहीं था कि भीड़ कितनी थी या जेट किस दिशा में था।
क्या यह केवल लेड का "मानचित्र" (Map) है? उन्होंने कंप्यूटर मॉडल का उपयोग करके देखा कि क्या लेड न्यूक्लियस की आंतरिक संरचना (जैसे अलग PDF मैप) ने स्प्रे को बदल दिया। परिणाम: नहीं। केवल "मैप" बदलने वाले मॉडल इस लहराव (wobble) की व्याख्या नहीं कर सके।
क्या यह एक "फाइनल स्टेट" इंटरेक्शन है? यह सुझाव देता है कि जेट बनने के बाद, जब वह बाहर निकलने की कोशिश करता है, तो वह "ठंडे" परमाणु पदार्थ (लेड न्यूक्लियस) के साथ क्रिया करता है। वे मॉडल जिनमें ये इंटरेक्शन शामिल थे (जैसे जेट का अन्य कणों से टकराना), डेटा के सबसे करीब थे, हालांकि वे अभी भी पूरी तरह से सटीक नहीं हैं।

"पीक" (Peak) का रहस्य

पेपर ने डेटा में एक विशिष्ट "हम्प" या पीक को भी देखा। यह पीक उस क्षण को दर्शाता है जब ऊर्जा का अराजक स्प्रे स्थिर कणों (hadronization) में बदल जाता है।

उन्होंने पाया कि यह पीक प्रोटॉन-प्रोटॉन और प्रोटॉन-लेड दोनों टक्करों में बिल्कुल एक ही "ऊर्जा स्केल" पर हुआ।
निष्कर्ष: भले ही स्प्रे का पैटर्न थोड़ा बदल गया हो, लेकिन कणों के जन्म का मौलिक "क्षण" समान रहा। यह धनुर्धर के तीर के हवा में लहराने जैसा है, लेकिन धनुष से तीर छूटने का क्षण दोनों मामलों में एक जैसा ही है।

सारांश

यह पेपर पहली बार है जब वैज्ञानिकों ने प्रोटॉन और लेड न्यूक्लियस के टकराने से बने जेट्स के भीतर इस विशिष्ट "ऊर्जा-कोण मानचित्र" (EEC) को मापा है।

उन्होंने पाया कि कम ऊर्जा वाले जेट्स के लिए, लेड न्यूक्लियस एक हल्की हवा की तरह काम करता है जो कणों के स्प्रे को थोड़ा फैला देता है। उच्च ऊर्जा वाले जेट्स के लिए, यह हवा इतनी कमजोर है कि कोई फर्क नहीं पड़ता। यह वैज्ञानिकों को यह समझने में मदद करता है कि "ठंडा" परमाणु पदार्थ (वह पदार्थ जो अत्यधिक गर्म प्लाज्मा नहीं है) कणों के व्यवहार को कैसे प्रभावित करता है, जो ब्रह्मांड के सबसे सूक्ष्म स्तरों पर काम करने के तरीके को समझने के लिए एक महत्वपूर्ण कड़ी है।

तकनीकी सारांश: $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV पर p–Pb टकरावों में ऊर्जा-ऊर्जा सहसंबंध (Energy-Energy Correlators)

समस्या और प्रेरणा
यह कार्य कोल्ड न्यूक्लियर मैटर (CNM) परिवेश के भीतर जेट विकास में प्रारंभिक-अवस्था (initial-state) प्रभावों से अंतिम-अवस्था (final-state) की अंतःक्रियाओं को अलग करने की आवश्यकता को संबोधित करता है। जबकि प्रोटॉन-प्रोटॉन (pp) टकरावों में जेट सबस्ट्रक्चर अवलोकनों को पर्टर्बेटिव क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स (pQCD) और नॉन-पर्टर्बेटिव हैड्रोनाइजेशन द्वारा अच्छी तरह से वर्णित किया जाता है, प्रोटॉन-न्यूक्लियस (p–Pb) टकरावों में जेट का व्यवहार कोल्ड न्यूक्लियर मैटर प्रभावों के लिए एक महत्वपूर्ण परीक्षण स्थल बना हुआ है। p–Pb टकरावों में जेट अवलोकनों (जैसे, जेट न्यूक्लियर मॉडिफिकेशन फैक्टर, फ्रैगमेंटेशन फंक्शन्स) के पिछले मापन ने आम तौर पर pp बेसलाइन के सापेक्ष कम या कोई संशोधन नहीं दिखाया है, जो यह सुझाव देता है कि जेट एक अपेक्षाकृत विरल (dilute) CNM परिवेश से गुजरते हैं। हालांकि, सैद्धांतिक ढांचे प्रस्तावित करते हैं कि सॉफ्ट मल्टीपल स्कैटरिंग, ट्रांसवर्स-मोमेंटम ब्रॉडनिंग, या पार्टोनिक कोमोवर्स (partonic comovers) के साथ अंतःक्रियाएं जेट के भीतर ऊर्जा प्रवाह के कोणीय वितरण को बदल सकती हैं। एनर्जी-एनर्जी कोरिलेटर (EEC), जो पर्टर्बेटिव स्प्लिटिंग्स और नॉन-पर्टर्बेटिव हैड्रोनाइजेशन दोनों के प्रति संवेदनशील एक इन्फ्रारेड- और कोलिनेयर-सेफ (infrared- and collinear-safe) अवलोकन है, इन संभावित संशोधनों की जांच करने के लिए एक सटीक प्रोब प्रदान करता है।

कार्यप्रणाली (Methodology)
ALICE सहयोग $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV पर p–Pb टकरावों में चार्ज्ड-पार्टिकल जेट्स के भीतर पहले दो-बिंदु EEC का मापन प्रस्तुत करता है, और इसकी तुलना उसी ऊर्जा पर एक नए pp मापन से करता है।

डेटा नमूने: यह विश्लेषण LHC रन 2 के मिनिमम बायस (MB) डेटा का उपयोग करता है, जिसमें 870 मिलियन pp इवेंट्स ( $\sqrt{s} = 5.02$ TeV, 2017) और 624 मिलियन p–Pb इवेंट्स ( $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV, 2016) शामिल हैं।
जेट पुनर्निर्माण (Jet Reconstruction): चार्ज्ड कणों ( $p_{T,track} > 0.15$ GeV/c) को एंटी- $k_T$ एल्गोरिदम का उपयोग करके क्लस्टर किया जाता है जिसका रेजोल्यूशन पैरामीटर $R=0.4$ है। जेट्स को $|\eta_{jet}| < 0.9 - R$ के भीतर पुनर्गठित किया जाता है।
EEC परिभाषा: EEC को एक $p_T$ -वेटेड दो-कण सहसंबंध के रूप में परिभाषित किया गया है, जो एक जेट के भीतर कणों के बीच कोणीय दूरी $R_L$ का फलन (function) है। सॉफ्ट रेडिएशन और अंडरलाइंग इवेंट (UE) के प्रति संवेदनशीलता को कम करने के लिए, कोरिलेशन सम में केवल उन्हीं घटकों को शामिल किया गया है जिनका $p_{T,track} > 1$ GeV/c है।
बैकग्राउंड घटाव (Background Subtraction): अंडरलाइंग इवेंट के योगदान का अनुमान लगाने और उसे घटाने के लिए एक परपेंडिकुलर कोन (perpendicular cone) विधि का उपयोग किया जाता है। इसमें जेट एक्सिस के सापेक्ष $\pm 90^\circ$ के कोन्स में ट्रैक्स का उपयोग करके "जेट-पर्प" (jet-perp) और "पर्प-पर्प" (perp-perp) जोड़े बनाए जाते हैं, जो p–Pb टकरावों में UE की अज़ीमुथल समरूपता (azimuthal symmetry) को मानकर चलते हैं।
सुधार (Corrections): डिटेक्टर प्रभावों, जिनमें ट्रैकिंग दक्षता, मोमेंटम रेजोल्यूशन और कोणीय रेजोल्यूशन शामिल हैं, को सिमुलेशन (p–Pb के लिए DPMJET और pp के लिए PYTHIA 8) पर आधारित टू-डायमेंशनल बिन-बाय-बिन विधि का उपयोग करके सुधारा गया है। व्यवस्थित अनिश्चितताओं (systematic uncertainties) का मूल्यांकन चयन मानदंडों, बैकग्राउंड घटाव मापदंडों और इवेंट जनरेटरों में भिन्नता करके किया गया है।

प्रमुख योगदान और परिणाम
यह शोध पत्र तीन ट्रांसवर्स मोमेंटम अंतराल: 20–40, 40–60, और 60–80 GeV/c में जेट्स के लिए EEC वितरण की रिपोर्ट करता है।

संशोधन का अवलोकन: 20–40 GeV/c के अंतराल में, pp बेसलाइन के सापेक्ष p–Pb EEC में एक महत्वपूर्ण संशोधन देखा गया है। विशेष रूप से, छोटे ओपनिंग एंगल्स ( $0.03 < R_L < 0.08$ ) पर सप्रेशन (suppression) और बड़े ओपनिंग एंगल्स पर एन्हांसमेंट (enhancement) देखा गया है। p–Pb/pp अनुपात सप्रेशन क्षेत्र में 2.4–3.4 $\sigma$ के विचलन के साथ इकाई (unity) से विचलित होता है और सबसे बड़े deporte किए गए $R_L$ पर 2.2 $\sigma$ से अधिक हो जाता है।
काइनेमैटिक्स पर निर्भरता: यह संशोधन उच्च $p_T$ अंतरालों (40–60 और 60–80 GeV/c) में नहीं देखा गया है, जहाँ p–Pb और pp परिणाम अनिश्चितताओं के भीतर सहमत होते हैं। यह प्रभाव घटक $p_T$ थ्रेशोल्ड (150 MeV/c से 2 GeV/c तक परीक्षण किया गया) के बदलावों के विरुद्ध सुदृढ़ (robust) है।
विभेदक अध्ययन (Differential Studies): संशोधन जेट स्यूडो-रैपिडिटी (Pb-going बनाम p-going जेट्स की तुलना) या फॉरवर्ड इवेंट एक्टिविटी (high- बनाम low-multiplicity इवेंट्स की तुलना) पर कोई महत्वपूर्ण निर्भरता नहीं दिखाता है। यह सुझाव देता है कि प्रभाव स्थानीय कण घनत्व या प्रारंभिक टक्कर ज्यामिति द्वारा संचालित नहीं है।
ट्रांजिशन रीजन विश्लेषण: EEC पीक की स्थिति, जो पर्टर्बेटिव और नॉन-पर्टर्बेटिव शासन के बीच संक्रमण को चिह्नित करती है, $1/\langle p_{T}^{ch,jet} \rangle$ के साथ स्केल करती है। निकाला गया पीक पोजीशन p–Pb के लिए ( $2.43 \pm 0.07$ GeV/c) pp मापन ( $2.40 \pm 0.10$ GeV/c) के अनुरूप है, जो यह दर्शाता है कि देखे गए कोणीय प्रवर्धन (angular broadening) के बावजूद हैड्रोनाइजेशन स्केल अपरिवर्तित रहता है।
मॉडल तुलना:
- प्रारंभिक-अवस्था प्रभाव: न्यूक्लियर PDF (nPDFs) और Angantyr मॉडल (जो मल्टी-पार्टन इंटरैक्शन को शामिल करता है) के साथ PYTHIA 8 का उपयोग करने वाले सिमुलेशन बड़े कोणों पर देखे गए एन्हांसमेंट को दोहराने में विफल रहते हैं।
- अंतिम-अवस्था प्रभाव: अंतिम-अवस्था की अंतःक्रियाओं—विशेष रूप से पार्टोनिक कोमोवर्स, ट्रांसवर्स-मोमेंटum ब्रॉडनिंग, और ट्विस्ट-4 ऑपरेटर प्रोडक्ट एक्सपेंशन (OPE) सुधारों को शामिल करने वाले सैद्धांतिक मॉडलों की तुलना डेटा से की गई है। जबकि कोमोवर मॉडल गुणात्मक रूप से बड़े-कोण के रुझान का वर्णन करता है, और $p_T$ -ब्रॉडनिंग और ट्विस्ट-4 OPE मॉडल 20–40 GeV/c के डेटा के सामान्य आकार को कैप्चर करते हैं, कोई भी सभी काइनेमैटिक रेगिम्स में पूर्ण मात्रात्मक विवरण प्रदान नहीं करता है। विशेष रूप से, $p_T$ -ब्रॉडनिंग मॉडल उच्च $p_T$ पर संशोधनों की भविष्यवाणी करता है जो डेटा में नहीं देखे गए हैं।

महत्व
यह शोध पत्र p–Pb टकरावों में EEC के पहले मापन को स्थापित करता है, जो कोल्ड न्यूक्लियर मैटर प्रभावों के लिए नए प्रतिबंध (constraints) प्रदान करता है। निचले- $p_T$ वाले जेट्स में ऊर्जा प्रवाह के कोणीय प्रवर्धन का अवलोकन, जिसे केवल प्रारंभिक-अवस्था प्रभावों द्वारा समझाया नहीं जा सकता है, जेट्स के CNM के माध्यम से प्रसार के दौरान अंतिम-अवस्था की अंतःक्रियाओं की एक संभावित भूमिका का सुझाव देता है। ये परिणाम जेट-स्ट्रक्चर संशोधनों के लिए प्रारंभिक- और अंतिम-अवस्था योगदानों को अलग करने के लिए महत्वपूर्ण हैं, जो भारी-आयन टकरावों (जहाँ क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा बनता है) में समान मापन की व्याख्या करने के लिए एक पूर्व शर्त है। निष्कर्ष बताते हैं कि हालांकि p–Pb टकरावों में जेट आम तौर पर एक विरल माध्यम से गुजरते हैं, विशिष्ट काइनेमैटिक रेगिम्स सूक्ष्म संशोधनों को प्रदर्शित कर सकते हैं जो सॉफ्ट मल्टीपल स्कैटरिंग या न्यूक्लियर मीडियम के साथ अंतःक्रियाओं द्वारा संचालित होते हैं।