⚛️ high-energy experiments

Measurement of $J/\psi$ -jet correlations in $pp$ and Pb+Pb collisions at $\sqrt{s_{\text{NN}}}=5.02$ TeV with the ATLAS detector

ATLAS प्रयोग ने $\sqrt{s_{\text{NN}}}=5.02$ TeV पर $pp$ और Pb+Pb टकरावों में $J/\psi$ -जेट सहसंबंधों (correlations) को मापा है, जिसमें $J/\psi$ मेसोन को जेट से उनकी अलगाव (isolation) और तात्कालिकता (promptness) के आधार पर वर्गीकृत किया गया है, जिससे यह प्रकट हुआ है कि उच्च अनुप्रस्थ संवेग (transverse momenta) तक भी प्रबल दमन बना रहता है और यह चारमोनियम उत्पादन तंत्र और क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा के साथ उनकी अंतःक्रिया पर नए प्रतिबंध प्रदान करता है।

मूल लेखक: ATLAS Collaboration

प्रकाशित 2026-07-01

📖 6 मिनट में पढ़ें🧠 गहराई से पढ़ें

CC BY 4.0

मूल लेखक: ATLAS 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

कल्पना कीजिए कि लार्ज हैड्रोन कोलाइडर (LHC) दुनिया का सबसे शक्तिशाली कण त्वरक (particle accelerator) है, जो नन्हे कणों को लगभग प्रकाश की गति से आपस में टकराता है। जब वैज्ञानिक भारी लेड (lead) परमाणुओं को आपस में टकराते हैं, तो वे एक क्षणिक, अत्यंत गर्म "सूप" बनाते हैं जिसे क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा (QGP) कहा जाता है। इस सूप को पदार्थ के मूलभूत निर्माण खंडों (क्वार्क्स) के एक घने, अराजक कोहरे के रूप में सोचें जहाँ वे जोड़ों या समूहों में बंधे रहने के बजाय स्वतंत्र रूप से घूमने के लिए स्वतंत्र होते हैं।

यह शोध पत्र ATLAS प्रयोग की एक रिपोर्ट है, जो इन टक्करों पर नज़र रखने वाले विशाल डिटेक्टरों में से एक है। वैज्ञानिक एक रहस्य को सुलझाने की कोशिश कर रहे हैं: क्यों कुछ भारी कण, जिन्हें "चार्मोनिया" (विशेष रूप से J/ψ कण) कहा जाता है, इस गर्म सूप के माध्यम से यात्रा करते समय गायब हो जाते हैं या "दब" (suppressed) जाते हैं?

यह समझने के लिए कि वे क्यों गायब हो जाते हैं, वैज्ञानिकों को यह जानना आवश्यक था कि ये कण वास्तव में कैसे जन्म लेते हैं और वे अपने आस-पास के "ट्रैफ़िक" के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। यहाँ उनके अन्वेषण का सरल उपमाओं (analogies) का उपयोग करके विवरण दिया गया है:

1. गायब होने का रहस्य

सामान्य टक्करों में (जैसे दो प्रोटॉन को आपस में टकराने पर), J/ψ कण पैदा होते हैं और उड़ जाते हैं। लेकिन भारी लेड की टक्करों में, उनमें से कई गायब हो जाते हैं। वैज्ञानिक मानते हैं कि गर्म QGP का कोहरा उन्हें "पिघला" रहा है या उनका रास्ता रोक रहा है। यह पता लगाने के लिए कि यह कैसे होता है, उन्हें यह जानने की आवश्यकता थी: क्या J/ψ कण अकेला पैदा होता है, या वह अन्य कणों के एक व्यस्त "जेट" के भीतर पैदा होता है?

2. "जन्म" के दो प्रकार

वैज्ञानिकों ने महसूस किया कि J/ψ कण दो अलग-अलग "परिवारों" से आते हैं:

"प्रॉम्प्ट" (Prompt) परिवार: ये तुरंत, टक्कर के क्षण में ही पैदा होते हैं। ये एक चिंगारी की तरह हैं जो दो कारों के टकराते ही दिखाई देती है।
"नॉन-प्रॉम्प्ट" (Non-Prompt) परिवार: ये भारी कणों (B-हैड्रोन) के क्षय (decay) से एक सेकंड के बहुत छोटे हिस्से बाद पैदा होते हैं। ये एक ऐसी चिंगारी की तरह हैं जो टक्कर के कुछ क्षण बाद दिखाई देती है, जब कुछ मलबा पहले ही गिर चुका होता है।

3. "जेट" का संबंध

कण भौतिकी (particle physics) में, जब एक कण बनता है, तो वह अक्सर अपने साथ अन्य कणों की एक बौछार खींच लेता है, जिससे एक "जेट" बनता है।

विलगित (Isolated) J/ψ: कल्पना कीजिए कि एक जंगल में घूमता हुआ एक अकेला भेड़िया। इसके साथ कोई जेट जुड़ा हुआ नहीं है।
गैर-विलगित (Non-Isolated) J/ψ: कल्पना कीजिए कि एक भेड़िया एक झुंड के बीच में चल रहा है। वह कणों के एक जेट से घिरा हुआ है।

नवाचार: पिछले अध्ययनों में अक्सर केवल उन घटनाओं को देखा गया जहाँ एक जेट पहले से ही मौजूद था। यह शोध पत्र विशेष है क्योंकि इसने सभी J/ψ कणों का विश्लेषण किया, चाहे वे अकेले हों या एक समूह में। उन्होंने "अकेले भेड़ियों" को "झुंड वाले भेड़ियों" से अलग किया ताकि यह देख सकें कि QGP का कोहरा उनके साथ अलग व्यवहार करता है या नहीं।

4. अन्वेषण

टीम ने दो प्रकार की रेसों के डेटा का विश्लेषण किया:

प्रोटॉन-प्रोटॉन (pp) टक्कर: "नियंत्रक समूह" (control group)। यह बिना कोहरे वाले साफ़ दिन की तरह है।
लेड-लेड (Pb+Pb) टक्कर: "परीक्षण समूह" (test group)। यह भारी कोहरा (QGP) है।

उन्होंने साफ़ दिन की तुलना में भारी कोहरे में कितने J/ψ कण जीवित रहे, इसकी गणना की। उन्होंने यह भी जाँच की कि क्या "अकेले भेड़िये" (isolated) बेहतर या बदतर तरीके से जीवित रहे या "झुंड वाले भेड़िये" (non-isolated)।

5. निष्कर्ष

कोहरा कठिन है: भारी लेड की टक्करों में, J/ψ कण वास्तव में दब गए थे (वे स्पष्ट प्रोटॉन टक्करों की तुलना में अधिक बार गायब हुए)। यह दमन (suppression) सबसे तेज़, उच्चतम ऊर्जा वाले कणों के लिए भी हुआ।
"झुंड" बनाम "अकेला भेड़िया":
- वैज्ञानिकों ने "अकेले भेड़ियों" और "झुंड वाले भेड़ियों" के बीच एक सूक्ष्म लेकिन महत्वपूर्ण अंतर पाया।
- गैर-विलगित (non-isolated) J/ψ कण (जो एक जेट के भीतर पैदा हुए थे) विलगित कणों की तुलना में अधिक दबे हुए पाए गए।
- उपमा: कल्पना कीजिए कि आप एक घनी भीड़ में चल रहे हैं। यदि आप अकेले चल रहे हैं, तो आपको धक्का लग सकता है, लेकिन फिर भी आप रास्ता खोज सकते हैं। यदि आप एक बड़े, अराजक समूह (एक जेट) के भीतर चल रहे हैं, तो भीड़ पूरे समूह को धक्का देती है, जिससे समूह के भीतर किसी के लिए भी निकल पाना बहुत कठिन हो जाता है। डेटा बताता है कि जेट के भीतर पैदा होने वाले J/ψ कण, अकेले जन्म लेने वाले कणों की तुलना में "भीड़" (QGP) से अधिक प्रभावित होते हैं।
समय मायने रखता है: "नॉन-प्रॉम्प्ट" (विलंबित जन्म वाले) कणों को उच्च गति पर ज्यादातर "विलगित" (अकेले भेड़िये) पाया गया, जबकि "प्रॉम्प्ट" (तत्काल जन्म वाले) कणों के जेट में पाए जाने की संभावना अधिक थी।

6. यह क्यों महत्वपूर्ण है

यह अध्ययन केवल कणों को नहीं गिनता; यह खेल के नियम बदल देता है।

पहले, मॉडल यह समझाने में संघर्ष करते थे कि ये कण ठीक से कैसे बनते हैं और वे प्लाज्मा में अपनी ऊर्जा कैसे खोते हैं।
"अकेले भेड़ियों" को "झुंड वाले भेड़ियों" से अलग करके, वैज्ञानिकों ने सिद्धांतकारों (theorists) को एक नया, अधिक सटीक उपकरण दिया है। अब वे जानते हैं कि "झुंड" (जेट) इस बात में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है कि J/ψ कितनी ऊर्जा खोता है।

सारांश में:
ATLAS टीम ने अपराध स्थल पर जासूसों की तरह काम किया। उन्होंने पाया कि प्रारंभिक ब्रह्मांड का "गर्म सूप" भारी कणों को दबा देता है। लेकिन इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि उन्होंने खोजा कि वे कण कैसे पैदा होते हैं (अकेले या एक जेट में) यह तय करता है कि वे कितने दबे जाएंगे। "झुंड" को अकेले भेड़िये की तुलना में सूप द्वारा अधिक तीव्रता से हिट किया जाता है। यह वैज्ञानिकों को यह समझने में मदद करता है कि जब पदार्थ को ट्रिलियन डिग्री तक गर्म किया जाता है, तो वहां कौन सी अदृश्य ताकतें काम कर रही होती हैं।

तकनीकी सारांश: ATLAS डिटेक्टर के साथ $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV पर $pp$ और Pb+Pb कोलिशन में $J/\psi$ –जेट सहसंबंधों का मापन

समस्या और प्रेरणा
चारमोनियम उत्पादन, विशेष रूप से $J/\psi$ मेसॉन (एक $c\bar{c}$ बाउंड स्टेट), प्रोटॉन-प्रोटॉन ($pp$) कोलिशन की तुलना में भारी-आयन कोलिशन में क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा (QGP) के साथ अंतःक्रियाओं के कारण दृढ़ता से दबा हुआ (suppressed) होता है। जबकि कलर स्क्रीनिंग, इन-मीडियम डिसोसिएशन और रिजनरेशन जैसे तंत्र समझे जा चुके हैं, चारमोनिया के सटीक उत्पादन तंत्र अभी भी अनसुलझे हैं। विशेष रूप से, यह स्पष्ट नहीं है कि चारमोनिया जेट गतिविधि के साथ कैसे सहसंबंधित होते हैं और क्या उच्च- $p_T$ वाले $J/\psi$ जेट क्वेंचिंग के समान माध्यम-प्रेरित ऊर्जा हानि (energy loss) का अनुभव करते हैं। CMS और LHCb द्वारा किए गए पिछले $J/\psi$ –जेट सहसंबंधों के मापन जेट की उपस्थिति द्वारा ट्रिगर किए गए इवेंट सैंपल्स पर निर्भर थे या $J/\psi$ को एक जेट के "में" (in a jet) के रूप में परिभाषित करते थे (जिसमें जेट का फोर-मोमेंटम शामिल होता है, जिसमें स्वयं $J/\psi$ भी होता है)। ये दृष्टिकोण संभावित पूर्वाग्रह (biases) उत्पन्न करते हैं और $J/\psi$ की गतिजता (kinematics) को जेट से पूरी तरह अलग नहीं कर पाते हैं। यह शोध पत्र सभी $J/\psi$ घटनाओं का विश्लेषण करके, $J/\psi$ की गतिजता को जेट की गतिजता से अलग करके, और प्रॉम्प्ट (सीधे उत्पादित) और नॉन-प्रॉम्प्ट ( $b$ -हैड्रॉन क्षय से प्राप्त) $J/\psi$ मेसॉन्स के बीच अंतर करके $J/\psi$ –जेट सहसंबंधों को परिमाणित करने का लक्ष्य रखता है।

कार्यप्रणाली (Methodology)
यह विश्लेषण LHC में ATLAS डिटेक्टर द्वारा एकत्र किए गए डेटा का उपयोग करता है, जो 2015 और 2018 के लिए $1.82 \text{ nb}^{-1}$ Pb+Pb कोलिशन और 2017 के लिए $0.26 \text{ fb}^{-1}$ $pp $कोलिशन के अनुरूप है, सभी$ \sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV पर हैं।

इवेंट चयन और पुनर्निर्माण (Event Selection and Reconstruction): $J/\psi$ उम्मीदवारों को डिम्यूऑन क्षय चैनल ( $\mu^+\mu^-$ ) में $p_T > 9$ GeV और $|y| < 2$ के साथ पुनर्निर्मित किया जाता है। म्यूऑन्स को "Medium" वर्किंग पॉइंट को संतुष्ट करना चाहिए और उन्हें ट्रिगर-लेवल म्यूऑन्स के साथ मैच किया जाना चाहिए।
जेट एसोसिएशन (Jet Association): जेट्स को एंटी- $k_t$ एल्गोरिदम का उपयोग करके पुनर्निर्मित किया जाता है जिसका रेडियस पैरामीटर $R=0.2$ और ट्रांसवर्स मोमेंटम थ्रेशोल्ड $p_T > 20$ GeV है। महत्वपूर्ण रूप से, जेट पुनर्निर्माण $J/\psi$ के सिग्नल को बाहर रखता है।
वर्गीकरण (Classification): $J/\psi$ $J / ψ$ उम्मीदवारों को तीन श्रेणियों में वर्गीकृत किया गया है:
1. नॉन-आइसोलेटेड (Non-isolated): $\Delta R < 0.4$ के भीतर एक जेट से मेल खाता है।
2. इनक्लूसिव (Inclusive): सभी चयनित $J/\psi$ उम्मीदवार।
3. आइसोलेटेड (Isolated): इनक्लूसिव और नॉन-आइसोलेटेड यील्ड के बीच के अंतर के रूप में परिभाषित ( $N_{iso} = N_{incl} - N_{non-iso}$ )।
सिग्नल निष्कर्षण (Signal Extraction): प्रॉम्प्ट और नॉन-प्रॉम्प्ट $J/\psi$ के यील्ड को डिम्यूऑन इनवेरिएंट मास ( $m_{\mu\mu}$ ) और स्यूडो-प्रॉपर लाइफटाइम ( $\tau_{\mu\mu}$ ) वितरणों के अनबिन्ड मैक्सिमम-लाइक्लीहुड फिट्स का उपयोग करके निकाला जाता है। फिट मॉडल में दोनों प्रॉम्प्ट और नॉन-प्रॉम्प्ट स्रोतों के लिए सिग्नल घटक (Crystal Ball + Gaussian) और बैकग्राउंड घटक (एक्सपोनेंशियल) शामिल हैं।
सुधार (Corrections): कच्चे वितरणों को एक्सेप्टेंस, ट्रिगर एफिशिएंसी, रिकंस्ट्रक्शन एफिशिएंसी, और जेट-संबंधित प्रभावों (जेट एनर्जी स्केल, रेजोल्यूशन और अंडरलाइंग इवेंट या मल्टी-पार्टन इंटरैक्शन से बैकग्राउंड जेट्स सहित, जिन्हें ऑर्थोगोनल-कोन विधि के माध्यम से अनुमानित किया गया है) के लिए सुधारा गया है।
अवलोकन योग्य (Observables): अध्ययन $pp$ में डिफरेंशियल क्रॉस-सेक्शन्स, Pb+Pb में यील्ड (इवेंट काउंट और न्यूक्लियर ओवरलैप फंक्शन $\langle T_{AA} \rangle$ द्वारा सामान्यीकृत), न्यूक्लियर मॉडिफिकेशन फैक्टर्स ( $R_{AA}$ ), आइसोलेटेड अंश (fractions), और नॉन-प्रॉम्प्ट अंशों की रिपोर्ट करता है।

प्रमुख योगदान

गतिजता का पृथक्करण (Decoupling Kinematics): यह विश्लेषण $J/\psi$ सिग्नल के बिना जेट को पुनर्निर्मित करके और जेट-ट्रिगर किए गए इवेंट्स के बजाय पूर्ण $J/\psi$ सैंपल का विश्लेषण करके $J/\psi$ की गतिजता को जेट की गतिजता से अलग करता है।
आइसोलेशन परिभाषा: यह एक पास के उच्च- $p_T$ जेट की अनुपस्थिति के आधार पर "आइसोलेटेड" $J/\psi$ मेसॉन्स के लिए एक कठोर परिभाषा पेश करता है, जिससे आइसोलेटेड और नॉन-आइसोलेटेड उत्पादन तंत्रों के बीच सीधा तुलना संभव हो पाती है।
प्रॉम्प्ट बनाम नॉन-प्रॉम्प्ट पृथक्करण: मापन सभी श्रेणियों (आइसोलेटेड, नॉन-आइसोलेटेड, इनक्लूसिव) में अलग-अलग प्रॉम्प्ट और नॉन-प्रॉम्प्ट $J/\psi$ के परिणाम प्रदान करता है।
सिस्टमैटिक उपचार: पेपर जेट सुधारों, बैकग्राउंड सबट्रैक्शन और फिट मॉडल से उत्पन्न होने वाले व्यवस्थित अनिश्चितताओं (systematic uncertainties) का विवरण देता है, विशेष रूप से Pb+Pb कोलिशन में जेट टैगिंग पर अंडरलाइंग इवेंट के प्रभाव को संबोधित करता है।

परिणाम

आइसोलेटेड अंश (Isolated Fractions): आइसोलेटेड $J/\psi$ मेसॉन्स का अंश $p_T \approx 9$ GeV पर एकता (unity) से शुरू होता है और $p_T \approx 50$ GeV पर 0.6 और 0.8 के बीच गिर जाता है। प्रॉम्प्ट $J/\psi$ के लिए आइसोलेटेड अंश, $pp$ और Pb+Pb दोनों में नॉन-प्रॉम्प्ट $J/\psi$ की तुलना में व्यवस्थित रूप से 10–20% अधिक है। $pp$ और Pb+Pb के बीच या विभिन्न सेंट्रालिटी अंतराल के बीच आइसोलेटेड अंश में कोई महत्वपूर्ण अंतर नहीं देखा गया है।
नॉन-प्रॉम्प्ट अंश (Non-prompt Fractions): इनक्लूसिव $J/\psi$ के लिए नॉन-प्रॉम्प्ट अंश $p_T = 10$ GeV पर $\approx 0.3$ से बढ़कर $p_T = 50$ GeV पर $\approx 0.6$ हो जाता है। $p_T > 15$ GeV के लिए नॉन-आइसोलेटेड $J/\psi$ के लिए, नॉन-प्रॉम्प्ट अंश लगभग 0.7 है और इसमें कोई $p_T$ निर्भरता नहीं है।
न्यूक्लियर मॉडिफिकेशन फैक्टर्स ( $R_{AA}$ ):
- उच्चतम मापे गए $p_T$ तक सभी वर्गों के लिए मजबूत दमन (suppression) देखा गया है।
- प्रॉम्प्ट $J/\psi$ के लिए, आइसोलेटेड और इनक्लूसिव वर्गों के लिए $R_{AA}$ मान पूरे $p_T$ रेंज में सुसंगत हैं।
- हालांकि, $p_T > 30$ GeV के लिए, नॉन-आइसोलेटेड प्रॉम्प्ट $J/\psi$ के लिए $R_{AA}$ , आइसोलेटेड प्रॉम्प्ट $J/\psi$ की तुलना में व्यवस्थित रूप से कम है। यह अंतर स्टौफर टेस्ट (Stouffer's test) के माध्यम से 3.5 $\sigma$ और स्लोप तुलना के माध्यम से 3.3 मानक विचलन (standard deviations) का महत्व रखता है।
- नॉन-प्रॉम्प्ट $J/\psi$ के लिए तीन आइसोलेशन वर्गों के बीच कोई महत्वपूर्ण अंतर नहीं देखा गया है।
फ्रैगमेंटेशन फंक्शन (Fragmentation Function): $pp $कोलिशन में प्रॉम्प्ट$ J/\psi$ के लिए कच्चा फ्रैगमेंटेशन फंक्शन नॉन-प्रॉम्प्ट उत्पादन के लिए Pythia 8 भविष्यवाणियों के गुणात्मक रूप से सुसंगत है लेकिन प्रॉम्प्ट उत्पादन के लिए भविष्यवाणियों से काफी भिन्न है, जो यह सुझाव देता है कि मॉडल में पार्टन शावर के देर से होने वाले प्रॉम्प्ट $J/\psi$ उत्पादन को कम करके आंका गया है।

महत्व
पेपर का दावा है कि ये परिणाम चारमोनियम उत्पादन तंत्रों और उनके इन-मीडियम दमन (in-medium suppression) पर नए प्रतिबंध (constraints) प्रदान करते। यह प्रदर्शित करके कि नॉन-आइसोलेटेड प्रॉम्प्ट $J/\psi$ मेसॉन्स (जो जेट के साथ जुड़े हुए हैं) आइसोलेटेड की तुलना में अधिक तीव्र दमन ( $R_{AA}$ ) का अनुभव करते हैं, लेखक सुझाव देते हैं कि एक अधिक विकसित पार्टन शावर या फ्रैगमेंटेशन सिस्टम के साथ उत्पादित $J/\psi$ बढ़ी हुई ऊर्जा हानि या डिसोसिएशन के अधीन हो सकता है। ये परिणाम उन सैद्धांतिक मॉडलों के लिए महत्वपूर्ण इनपुट प्रदान करते हैं जो $pp$ और Pb+Pb दोनों कोलिशन में $J/\psi$ उत्पादन का वर्णन करने का प्रयास कर रहे हैं, विशेष रूप रूप से जेट क्वेंचिंग और चारमोनियम दमन के बीच परस्पर क्रिया के संबंध में।