A large size of the pion-like excitations in the stringy fluid above $T_{ch}$ is model independent and required by current algebra

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड सूप का एक विशाल, उबलता हुआ बर्तन है। इस बर्तन के बिल्कुल नीचे, बिग बैंग के ठीक बाद के शुरुआती क्षणों में, सामग्रियां इतनी गर्म और ऊर्जावान थीं कि वे आपस में जुड़ नहीं सकती थीं। यह क्वार्क और ग्लूऑन नामक सूक्ष्म कणों का एक मुक्त-प्रवाह वाला, अराजक मिश्रण था, जो एक भीड़भाड़ वाले मोंश-पिट (mosh-pit) स्टाइल डांस फ्लोर में व्यक्तिगत नर्तकों की तरह इधर-उधर दौड़ रहे थे। इसे भौतिक विज्ञानी "क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा" कहते हैं। लेकिन जैसे-जैसे ब्रह्मांड ठंडा हुआ, कुछ जादुвिक हुआ। गर्मी कम हुई, और इन मुक्त कणों ने अचानक हाथ थामने का फैसला किया, जिससे वे घनिष्ठ, अविभाज्य जोड़े और समूहों में बदल गए। वे उस हर चीज़ के निर्माण खंड बन गए जो आज हम देखते हैं: प्रोटॉन, न्यूट्रॉन और अंततः, परमाणु। इस प्रक्रिया को "कन्फाइनमेंट" (confinement) कहा जाता है, और यही कारण है कि हम अपनी रोजमर्रा की दुनिया में मुक्त क्वार्क को तैरते हुए नहीं देखते।

अब, वैज्ञानिकों के पास एक बड़ा सवाल है: इस संक्रमण के ठीक बीच में क्या होता है? क्या यह मुक्त कणों से बंधे हुए जोड़ों तक का एक सहज फिसलन भरा बदलाव है, या क्या वहां कोई अजीब, विचित्र मध्य क्षेत्र है जहां चीजें जुड़ी हुई तो हैं लेकिन फिर भी अजीब व्यवहार कर रही हैं? इसे समझने के लिए, शोधकर्ता ब्रह्मांड के सूप का अनुकरण करने के लिए विशाल सुपरकंप्यूटरों का उपयोग करते हैं, और एक विशिष्ट तापमान सीमा देखते हैं जिसे $T_{ch}$ (लगभग 155 MeV) कहा जाता है। यह वह बिंदु है जहाँ "हाथ थामने" का नियम बदल जाता है। यह शोध पत्र इस रहस्यमय मध्य क्षेत्र में गहराई से उतरता है, पदार्थ के एक ऐसे चरण की खोज करता है जो तारों (strings) से बने तरल की तरह व्यवहार करता है, और यह समझने की कोशिश करता है कि क्यों इसके भीतर के कण अत्यधिक विशाल आकार के होते जा रहे हैं।

---

सूजन वाले पायोन (Pions) का रहस्य

कण भौतिकी की दुनिया में, पायोन (pion) नामक एक प्रसिद्ध पात्र है। एक पायोन को क्वार्क और एक एंटी-क्वार्क के बीच एक छोटे, अत्यंत घनिष्ठ आलिंगन (hug) के रूप में सोचें। सामान्य परिस्थितियों में, जैसे कि एक प्रोटॉन या न्यूट्रॉन के भीतर, यह आलिंगन बहुत मजबूत और बहुत छोटा होता है। दोनों कण इतने मजबूती से जुड़े होते हैं कि वे एक बहुत छोटी जगह में फिट हो जाते हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक भीड़भाड़ वाली लिफ्ट में हाथ पकड़े हुए एक जोड़ा।

लेकिन क्या होता है जब आप इस लिफ्ट को एक निश्चित बिंदु से ऊपर, विशेष रूप से $T_{ch} \simeq 155$ MeV से अधिक गर्म कर देते हैं?

इस शोध पत्र के अनुसार, उत्तर विचित्र और विरोधाभासी है। कणों के बिखर जाने और एक मुक्त, अराजक गैस बन जाने के बजाय (जैसा कि कई लोगों ने उम्मीद की थी), वे जुड़े रहते हैं। हालांकि, उनके बीच का यह "आलिंगन" पूरी तरह से बदल जाता है। यह पत्र सुझाव देता है कि इस तापमान के ऊपर, ब्रह्मांड एक नया अजीब चरण में प्रवेश करता है जिसे "स्ट्रिंगी फ्लूइड" (stringy fluid) कहा जाता है। इस तरल में, क्वार्क अभी भी अदृश्य, लचीली डोरियों (chromoelectric strings) द्वारा जुड़े हुए हैं, लेकिन वे अब एक छोटी गेंद की तरह सिमटे हुए नहीं हैं। इसके बजाय, वे विशाल, ओवरलैपिंग बादलों के रूप में सूजकर बड़े हो जाते हैं।

साक्ष्य: दो सिमुलेशन की एक कहानी

लेखक, एल. या. ग्लोज़मैन (L. Ya. Glozman), बड़े कंप्यूटर सिमुलेशन (लैटिस QCD) से प्राप्त डेटा को देखकर शुरुआत करते हैं। कल्पना कीजिए कि दो अलग-अलग फिल्में अगल-बगल चल रही हैं।

पहली फिल्म में, हम मुक्त क्वार्क की एक गैस देखते हैं जो एक-दूसरे से बात नहीं करती। वे बिलियर्ड टेबल पर गेंदों की तरह बेतरतीब ढंग से इधर-उधर टकराते हैं। इस परिदृश्य में, उनके हिलने-डुलने के पैटर्न (जिन्हें "कोरिलेटर्स" कहा जाता है) सरल और अनुमानित होते हैं।

दूसरी फिल्म में, हम 220 MeV के उच्च तापमान पर वास्तविक QCD पदार्थ (मजबूत बल की वास्तविक भौतिकी) देखते हैं। यहाँ, पैटर्न कुछ मामलों में मुक्त क्वार्क वाली फिल्म के आश्चर्यजनक रूप से समान हैं, लेकिन अन्य मामलों में पूरी तरह से अलग हैं। कण अपने सामान्य "बाएं-दाएं" और "ऊपर-नीचे" के अंतर को भूलते हुए प्रतीत होते हैं, और नए, सममित समूहों का निर्माण करते हैं। यह वैज्ञानिकों को बताता है कि कण अभी भी कन्फाइंड (जुड़े हुए) हैं, लेकिन वे एक बहुत ही विशिष्ट, संगठित तरीके से व्यवहार कर रहे हैं जो तारों से बने तरल जैसा दिखता है।

इन सिमुलेशन से प्राप्त मुख्य निष्कर्ष यह है कि यदि आप इस गर्म तरल में इन "पायोन जैसी" कणों के आकार को मापने की कोशिश करते हैं, तो वे अब छोटे संगमरमर की तरह नहीं दिखते। वे विशाल, धुंधले गुब्बारों की तरह दिखते हैं। वास्तव में, सिमुलेशन दिखाते हैं कि जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, ये कण चौड़े और चौड़े होते जाते हैं, और अंततः $3T_{ch}$ के आसपास गायब हो जाते हैं।

"क्यों": एक गणितीय जादू का खेल

तो, वे इतने बड़े क्यों हो जाते हैं? यह पत्र इस बात की व्याख्या करने के लिए करेंट अलजेब्रा (current algebra) नामक एक चतुर गणितीय तर्क और गेल-मैन-ओक्स-रेनरर (GMOR) संबंध के रूप में ज्ञात एक प्रसिद्ध नियम का उपयोग करता है।

यहाँ तर्क सरल शब्दों में दिया गया है:

1. नियम: एक गणितीय नियम है जो एक पायोन के द्रव्यमान, उसके "आलिंगन" की ताकत (क्वार्क कंडेनसेट), और "डिके कांस्टेंट" (जो यह मापता है कि क्वार्क और एंटी-क्वार्क के ठीक एक ही स्थान पर होने की कितनी संभावना है) नामक एक संख्या को जोड़ता है।
2. परिवर्तन: जैसे ही तापमान $T_{ch}$ के ऊपर बढ़ता है, "आलिंगन" (क्वार्क कंडेनसेट) गायब हो जाता है। क्वार्क अब ऐसे व्यवहार नहीं करते जैसे वे एक टूटी हुई समरूपता (broken-symmetry) की स्थिति में हों।
3. परिणाम: गणित को काम करने के लिए, यदि "आलिंगन" गायब होता है, तो कुछ और भी होना चाहिए। गणित कहता है कि इस "डिके कांस्टेंट" को भी लुप्त होना होगा।
4. एकमात्र रास्ता: "डिके कांस्टेंट" (क्वार्क के एक ही स्थान पर होने की संभावना) के शून्य होने का एकमात्र तरीका यह है कि क्वार्क कभी भी एक ही स्थान पर न हों। उन्हें एक विशाल दूरी पर फैला होना चाहिए।

इसे ऐसे समझें: यदि आपके पास एक नियम है कि "नर्तक जितने करीब होंगे, संगीत उतना ही तेज होगा," और अचानक संगीत पूरी तरह से बंद हो जाता है, तो एकमात्र तार्किक स्पष्टीकरण यह है कि नर्तक एक-दूसरे से इतनी दूर चले गए हैं कि वे एक-दूसरे को सुन नहीं सकते। वे डांस फ्लोर छोड़कर नहीं गए हैं; वे अभी भी हाथ पकड़े हुए हैं (कन्फाइंड), लेकिन वे उस हाथ पकड़ने के जुड़ाव को एक विशाल कमरे में फैला रहे हैं।

"स्ट्रिंगी फ्लूइड" के लिए इसका क्या अर्थ है

यह पत्र तर्क देता है कि यह सूजन केवल एक विशिष्ट कंप्यूटर मॉडल की विचित्रता नहीं है; यह भौतिकी के मौलिक नियमों (करेंट अलजेब्रा) द्वारा आवश्यक एक मॉडल-स्वतंत्र तथ्य है।

यह $T_{ch}$ के ठीक ऊपर ब्रह्मांड की एक दिलचस्प तस्वीर पेश करता है:

• यह मुक्त कणों की गैस नहीं है।
• यह विशाल, ओवरलैपिंग गुब्बारों (सूजे हुए पायोन जैसे उत्तेजनाओं) से भरा एक घना, भीड़भाड़ वाला कमरा है।
• क्योंकि ये गुब्बारे इतने बड़े और एक-दूसरे के ऊपर चढ़े हुए हैं, वे लगातार एक-दूसरे से टकराते रहते हैं।
• यह एक ऐसा माध्यम बनाता है जो अविश्वसनीय रूप से "सामूहिक" (collective) है। यदि आप किसी कण को इसके माध्यम से धकेलने की कोशिश करेंगे, तो यह उन लोगों की भीड़ के बीच से तैरने की तरह होगा जो सभी एक-दूसरे का हाथ पकड़े हुए हैं और पूरे कमरे को भरने के लिए हाथ फैलाए हुए हैं। "मीन-फ्री पाथ" (वह दूरी जो एक कण टकराने से पहले तय कर सकता है) लगभग शून्य हो जाता है।

यही कारण है कि बड़े कण त्वरकों (जैसे RHIC और LHC) में प्रयोग देखते हैं कि पदार्थ बिना किसी घर्षण के एक आदर्श तरल की तरह व्यवहार करता है। ऐसा इसलिए नहीं है कि कण स्वतंत्र हैं; बल्कि इसलिए है क्योंकि वे इन विशाल, ओवरलैपिंग बादलों में एक साथ जुड़े हुए हैं।

निष्कर्ष

पत्र यह निष्कर्ष निकालता है कि महत्वपूर्ण तापमान के ऊपर पायोन-जैसे कणों का "सूजना" हमारे ब्रह्मांड की एक वास्तविक, आवश्यक विशेषता है, न कि केवल एक कंप्यूटर सिमुलेशन की त्रुटि। जबकि गणित सिद्ध करता है कि वे विशाल हो जाते हैं, पत्र यह स्वीकार करता है कि हमें अभी भी यह मापने के लिए अधिक विशिष्ट अध्ययनों की आवश्यकता है कि वे वास्तव में कितने बड़े होते हैं (हालांकि सिमुलेशन बताते हैं कि वे लगभग 5 गुना बढ़ जाते हैं)।

संक्षेप में, जब ब्रह्मांड इतना गर्म हो जाता है कि सामान्य पदार्थ के "आलिंगन" पिघल जाएं, तो कण बिखरते नहीं हैं। इसके बजाय, वे अपने हाथ फैला देते हैं, जिससे पूरा सूप तारों के एक विशाल, परस्पर जुड़े जाल में बदल जाता है, जो एक ऐसा तरल बनाता है जो लगभग शून्य प्रतिरोध के साथ बहता है। यह एक याद दिलाता है कि सबसे गर्म, सबसे अराजक वातावरण में भी, प्रकृति चीजों को जोड़े रखने का एक तरीका ढूंढ लेती है, बस एक बहुत बड़े, अधिक विचित्र तरीके से।