Measurement of $e^{+} e^{-}\to p\bar{p}$ around $\psi(2S)$ with scan method

पदार्थ के हृदय के भीतर, जहाँ प्रोटॉन और न्यूट्रॉन और भी छोटे कणों से बने होते हैं जिन्हें क्वार्क कहा जाता है, वहाँ नियमों का एक समूह है जो यह नियंत्रित करता है कि ये सूक्ष्म टुकड़े एक साथ कैसे जुड़ते हैं और अलग कैसे होते हैं। इन नियमों को क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स (Quantum Chromodynamics) नामक एक सिद्धांत द्वारा वर्णित किया गया है, जो 'स्ट्रॉन्ग फोर्स' (strong force) के लिए एक निर्देश पुस्तिका की तरह कार्य करता है, जो ब्रह्मांड का सबसे शक्तिशाली गोंद है। हालाँकि यह सिद्धांत कुछ स्थितियों में पूरी तरह से काम करता है, लेकिन जब कण धीरे चलते हैं या जटिल तरीकों से परस्पर क्रिया करते हैं, तो इसे हल करना अविश्वसनीय रूप से कठिन हो जाता है। भौतिक विज्ञानी 'चार्मोनियम' (charmonium) नामक कणों के एक विशिष्ट परिवार से लंबे समय से मंत्रमुग्ध रहे हैं, जो एक भारी चार्म क्वार्क और उसके प्रति-द्रव्य (antimatter) जुड़वा के मेल से बने होते हैं। ये कण इतने भारी हैं कि इनका उच्च सटीकता के साथ अध्ययन किया जा सके, फिर भी इतने हल्के हैं कि स्ट्रॉन्ग फोर्स के अव्यवस्थित और जटिल नियम अभी भी उनके व्यवहार पर हावी रहते हैं। वैज्ञानिक यह देख कर कि ये कण कैसे बनते हैं और कैसे अन्य कणों में टूट जाते हैं, स्ट्रॉन्ग फोर्स के छिपे हुए तंत्र को उजागर करने और यह देखने की आशा करते हैं कि यह विद्युत चुम्बकीय बल (electromagnetic force) के साथ कैसे प्रतिस्पर्धा करता है, वही बल जो चुंबकों को चिपकाने और बिजली चमकने के लिए जिम्मेदार है।

BESIII सहयोग द्वारा किए गए एक हालिया अध्ययन ने इन चार्मोनियम कणों में से एक पर ताज़ा नज़र डाली है, जिसे psi-2S के रूप में जाना जाता है। यह प्रसिद्ध J/psi कण का एक थोड़ा भारी संस्करण है और यह अस्थिर है, जिसका अर्थ है कि यह जल्दी ही अन्य कणों में टूट जाता है। शोधकर्ता विशेष रूप से इस बात में रुचि रखते थे कि क्या होता है जब psi-2S एक प्रोटॉन और एक एंटी-प्रोटॉन में टूट जाता है। कण भौतिकी की दुनिया में, यह क्षय (decay) एक ही समय में दो अलग-अलग तरीकों से हो सकता है: या तो स्ट्रॉन्ग फोर्स के माध्यम से, जिसमें ग्लुऑन्स का आदान-प्रदान शामिल है, या विद्युत चुम्बकीय बल के माध्यम से, जिसमें एक आभासी फोटॉन (virtual photon) शामिल है। क्योंकि दोनों प्रक्रियाएं एक साथ घटित हो सकती हैं, वे एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप (interfere) करती हैं, ठीक वैसे ही जैसे तालाब में उठने वाली दो लहरें मिलकर एक नया पैटर्न बनाती हैं। इस परस्पर क्रिया को समझने की कुंजी इन दोनों बलों के बीच के सापेक्ष समय, या 'फेज' (phase) को मापने में निहित है। यदि समय का तालमेल गलत है, तो बल एक-दूसरे को रद्द कर सकते हैं; यदि वे संरेखित हैं, तो वे परिणाम को बढ़ा सकते हैं। इस समय को निर्धारित करना महत्वपूर्ण है क्योंकि यह वैज्ञानिकों को यह समझने में मदद करता है कि क्या स्ट्रॉन्ग और इलेक्ट्रोमैग्नेटिक बल एक अनुमानित, सार्वभौमिक तरीके से व्यवहार करते हैं या विवरणों में कोई आश्चर्य छिपा हुआ है।

इस पहेली को सुलझाने के लिए, टीम ने केवल डेटा के एक एकल स्नैपशॉट पर भरोसा नहीं किया। इसके बजाय, उन्होंने एक सावधानीपूर्वक स्कैन किया, जिसमें psi-2S कण के द्रव्यमान के आसपास नौ थोड़े अलग ऊर्जा स्तरों पर डेटा एकत्र किया गया। इस पद्धति ने उन्हें 'रेजोनेंस' (resonance) के सटीक आकार को मैप करने की अनुमति दी, जो डेटा में वह शिखर (peak) है जो कण की उपस्थिति को चिह्नित करता है। यह विश्लेषण करके कि प्रोटॉन-एंटी-प्रोटॉन जोड़े की संख्या इन ऊर्जा स्तरों के माध्यम से बदलते हुए कैसे बदलती है, शोधकर्ता स्ट्रॉन्ग फोर्स, इलेक्ट्रोमैग्नेटिक फोर्स और एक बैकग्राउंड प्रक्रिया (जो बिना रेजोनेंस के भी होती है) के योगदान को अलग कर सके। उन्होंने टकरावों को रिकॉर्ड करने के लिए BESIII डिटेक्टर का उपयोग किया, जो बीजिंग इलेक्ट्रॉन पॉज़िट्रॉन कोलाइडर में स्थित एक विशाल उपकरण है। डिटेक्टर एक विशाल, उच्च-गति वाले कैमरे की तरह कार्य करता है जो आवेशित कणों के पथ को ट्रैक करता है और उनकी ऊर्जा को मापता है, जिससे टीम को उन विशिष्ट घटनाओं की पहचान करने की अनुमति मिलती है जहाँ एक प्रोटॉन और एक एंटी-प्रोटॉन का निर्माण होता है।

कुल 495 इनवर्स पिकोबार्न (inverse picobarns) डेटा एकत्र करने के बाद, टीम ने यह सुनिश्चित करने के लिए सख्त मानदंड लागू किए कि वे सही घटनाओं को देख रहे हैं। उन्होंने कॉस्मिक किरणों और अन्य बैकग्राउंड शोर को फ़िल्टर कर दिया, और केवल उन कणों के जोड़ों पर ध्यान केंद्रित किया जो प्रोटॉन और एंटी-प्रोटॉन के अपेक्षित व्यवहार से मेल खाते थे। विश्लेषण ने एक स्पष्ट संकेत प्रकट किया, जिसमें पता चल रहा घटनाओं की संख्या एक ऐसे पैटर्न में ऊपर-नीचे होती है जो psi-2S रेजोनेंस के सैद्धांतिक भविष्यवाणियों से मेल खाती है। शोधकर्ताओं ने इस डेटा के आकार को फिट करने के लिए एक परिष्कृत गणितीय मॉडल का उपयोग किया, जिससे अंतर्निहित भौतिक मापदंडों के मान निकाले जा सके। उन्होंने पाया कि स्ट्रॉन्ग और इलेक्ट्रोमैग्नेटिक आयामों के बीच का सापेक्ष फेज शून्य या एक सौ अक्षांश नहीं है, जैसा कि कुछ सरल सिद्धांत सुझा सकते हैं, बल्कि यह लगभग एक सौ छह डिग्री या नकारात्मक एक सौ पांच डिग्री के मान पर स्थित है। ये दो समाधान गणित के दो अलग-अलग तरीकों को दर्शाते हैं, लेकिन दोनों एक ही भौतिक वास्तविकता की ओर संकेत करते हैं: दोनों बल अपने समय के मामले में लगभग एक-दूसरे के लंबवत (perpendicular) हैं।

इस फेज माप के साथ, टीम ने psi-2S के प्रोटॉन और एंटी-प्रोटॉन में टूटने की संभावना, या 'ब्रांचिंग फ्रैक्शन' (branching fraction) की गणना की। उन्होंने पाया कि यह संभावना लगभग तीन दशमलव दो एक गुना दस की घात ऋणात्मक चार, या तीन दशमलव चार सात गुना दस की घात ऋणात्मक चार है, जो इस बात पर निर्भर करता है कि दो गणितीय समाधानों में से किसे चुना जाता है। ये परिणाम पिछले मापों की तुलना में थोड़े अधिक हैं लेकिन त्रुटि की सीमा के भीतर सुसंगत हैं। अध्ययन ने 'इफेक्टिव फॉर्म फैक्टर' (effective form factor) का एक नया, सटीक माप भी प्रदान किया, जो एक ऐसी मात्रा है जो टकराने वाले कणों द्वारा देखे गए प्रोटॉन की आंतरिक संरचना का वर्णन करती है। परिणामों ने एक सहज वक्र दिखाया जो अन्य प्रयोगों के पिछले निष्कर्षों के साथ अच्छी तरह से संरेखित होता है, जिससे psi-2S ऊर्जा क्षेत्र के आसपास डेटा का अंतराल भर जाता है।

इन निष्कर्षों का महत्व हमारी वर्तमान समझ की सीमाओं का परीक्षण करने की उनकी क्षमता में निहित है। तथ्य यह है कि फेज शून्य नहीं है, यह सुझाव देता है कि स्ट्रॉन्ग और इलेक्ट्रोमैग्नेटिक बलों के पूरी तरह से तालमेल में होने या पूरी तरह से तालमेल से बाहर होने का सरल विचार गलत है। इसके बजाय, डेटा एक अधिक जटिल चित्र का समर्थन करता है जहाँ ये बल इस तरह से परस्पर क्रिया करते हैं जो विभिन्न प्रकार के कण क्षय में सार्वभौमिक है। हालांकि इस विशिष्ट कोण का सटीक कारण क्या है, यह सैद्धांतिक भौतिकविदों के लिए समझाना एक रहस्य बना हुआ है, प्रायोगिक माप भविष्य के सिद्धांतों के लिए एक ठोस आधार प्रदान करता है। यह पुष्टि करके कि इन बलों के बीच का हस्तक्षेप एक अनुमानित पैटर्न का पालन करता है, यह अध्ययन उन मॉडलों को परिष्कृत करने में मदद करता है जो यह वर्णन करते हैं कि पदार्थ को बुनियादी स्तर से कैसे बनाया जाता है। यह कार्य सटीक मापन की शक्ति के प्रमाण के रूप में खड़ा है, जो दिखाता है कि कैसे ऊर्जा परिदृश्य का सावधानीपूर्वक स्कैन उप-परमाणु दुनिया के सूक्ष्म, छिपे हुए लय को प्रकट कर सकता है।