The elliptic wind on jet wakes in high-energy heavy-ion collisions

एक उच्च-ऊर्जा वाले भारी-आयन टकराव के केंद्र में, जहाँ परमाणु नाभिक लगभग प्रकाश की गति से टकराते हैं, पदार्थ की एक अवस्था जिसे 'क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा' कहा जाता है, उसका जन्म होता है। यह हमारे द्वारा ज्ञात ठोस, तरल या गैस नहीं है, बल्कि पदार्थ के सबसे मौलिक निर्माण खंडों का एक उबलता हुआ, अत्यंत गर्म सूप है, जो साधारण कणों में ठंडा होकर संघनित होने से पहले एक क्षणभंगुर पल के लिए अस्तित्व में रहता है। वैज्ञानिक लंबे समय से इस वातावरण का उपयोग यह समझने के लिए एक प्रयोगशाला के रूप रूप में करते आए हैं कि बिग बैंग के ठीक बाद ब्रह्मांड कैसा व्यवहार करता था। इस अदृश्य, अराजक माध्यम की जांच करने के लिए एक प्राथमिक उपकरण "जेट" है। जब कोई टकराव होता है, तो यह कभी-कभी विपरीत दिशाओं में उच्च-गति वाले कणों की एक जोड़ी को बाहर की ओर फेंकता है। जैसे ही ये कण, जिन्हें पार्टोन कहा जाता है, क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा के बीच से गुजरते हैं, वे अपनी ऊर्जा खो देते हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक स्पीडबोट पानी को काटते हुए आगे बढ़ती है। यह ऊर्जा हानि केवल गायब नहीं होती; यह माध्यम में जमा हो जाती है, जिससे एक लहर जैसा प्रभाव उत्पन्न होता है। जिस प्रकार एक सुपरसोनिक विमान एक शॉकवेव (आघात तरंग) बनाता है, इन तेजी से चलने वाले कणों से प्लाज्मा में एक शंकु के आकार का विक्षोभ उत्पन्न होने की भविष्यवाणी की गई है, जिसे 'मैक कोन' (Mach cone) कहा जाता है, और इसके साथ ही विक्षुब्ध पदार्थ का एक पीछे छूटा हुआ निशान (वेक) भी बनता है।

द दशकों से, शोधकर्ता प्लाज्मा के गुणों को समझने के लिए इन 'वेक्स' (wakes) का अध्ययन करते रहे हैं, जैसे कि यह कितनी आसानी से बहता है या यह कितना गाढ़ा है। हालाँकि, इन टकरावों में उत्पन्न होने वाला प्लाज्मा एक समान, स्थिर तालाब नहीं है। यह एक गतिशील, फैलता हुआ अग्निपिंड है जो कुछ दिशाओं में अन्य दिशाओं की तुलना में अधिक घना होता है, जिससे एक दबाव प्रवणता (pressure gradient) उत्पन्न होती है जो पदार्थ के सामूहिक प्रवाह को संचालित करती है। यह प्रवाह हर दिशा में एक जैसा नहीं होता; यह एक तल में दूसरे की तुलना में अधिक मजबूत होता है, जिसे 'एलिप्टिक फ्लो' (elliptic flow) नामक घटना के रूप में जाना जाता है। वू, यांग और वांग के हालिया कार्य को प्रेरित करने वाला प्रश्न यह है कि यह असमान, बहता हुआ वातावरण जेट द्वारा छोड़े गए 'वेक' को कैसे विकृत करता है। यदि प्लाज्मा बह रहा है और उसमें घनत्व की प्रवणता है, तो क्या 'वेक' केवल जेट के पीछे चलता है, या प्लाज्मा की हवा उसे धकेलती और खींचती है? शोधकर्ताओं ने यह निर्धारित करने का प्रयास किया कि क्या जेट के प्लाज्मा के प्रवाह के सापेक्ष दिशा के आधार पर इस 'वेक' का आकार बदलता है।

इसका उत्तर देने के लिए, टीम ने परिष्कृत कंप्यूटर सिमुलेशन का सहारा लिया, जिसमें लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर में प्राप्त ऊर्जा स्तरों पर लेड (सीसा) नाभिकों के टकराव का मॉडल बनाया गया। उन्होंने एक विशिष्ट प्रकार की घटना पर ध्यान केंद्रित किया जहाँ एक जेट के साथ मिलकर एक उच्च-ऊर्जा फोटॉन (प्रकाश का एक कण) उत्पन्न होता है। चूँकि फोटॉन प्लाज्मा के साथ परस्पर क्रिया नहीं करता है, इसलिए यह एक आदर्श संदर्भ बिंदु के रूप में कार्य करता है, जिससे वैज्ञानिकों को यह सटीक रूप से पता चल जाता है कि जेट कहाँ से शुरू हुआ था और उसकी गति कितनी थी। शोधकर्ताओं ने इन हजारों घटनाओं का सिमुलेशन किया, जिससे यह ट्रैक किया गया कि जेट ने प्लाज्मा के माध्यम से कैसे गति की और प्लाज्मा ने कैसी प्रतिक्रिया दी। उन्होंने विशेष रूप से दो अलग-अलग दिशाओं में यात्रा करने वाले जेटों का अध्ययन किया: वे जो टकराव क्षेत्र के लंबे अक्ष के समानांतर (इन-प्लेन) चलते हैं और वे जो उसके लंबवत (आउट-ऑफ-प्लेन) चलते हैं।

सिमुलेशन ने एक स्पष्ट और आश्चर्यजनक विरूपण प्रकट किया। जैसे ही जेट ने प्लाज्मा के बीच से रास्ता बनाया, उसने अपने पीछे जो 'वेक' छोड़ा वह एक सुव्यवस्थित, सममित शंकु के रूप में नहीं रहा। इसके बजाय, प्लाज्मा के घनत्व प्रवणता और प्रवाह ने एक हवा की तरह कार्य किया, जिसने 'वेक' को खींचकर लंबा कर दिया। शोधकर्ताओं ने पाया कि जब जेट 'आउट-ऑफ-प्लेन' दिशा में यात्रा करता है, तो 'इन-प्लेन' दिशा की तुलना में उसका 'वेक' काफी अधिक चौड़ा हो जाता है। ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि 'आउट-ऑफ-प्लेन' दिशा में प्लाज्मा अधिक घना होता है और प्रवाह अधिक मजबूत होता है, जिससे अधिक प्रतिरोध और एक अधिक स्पष्ट "हवा" पैदा होती है जो 'वेक' को बगल की ओर धकेलती है। यह प्रभाव, जिसे लेखक "एलिप्टिक विंड" (elliptic wind) कहते हैं, का अर्थ है कि विक्षोभ का आकार न केवल जेट की गति पर, बल्कि इस पर भी निर्भर करता है कि वह फैलते हुए अग्निपिंड के माध्यम से किस दिशा में यात्रा कर रहा है।

इन निष्कर्षों को मापने योग्य बनाने के लिए, टीम ने टकराव से निकलने वाले कणों का उपयोग करके इस विरूपण को मापने का एक विशिष्ट तरीका प्रस्तावित किया। उन्होंने मूल जेट की दिशा और उन नरम, धीमे कणों की स्थिति के बीच सहसंबंध (correlation) की गणना की जो 'वेक' का निर्माण करते हैं। उनके परिणामों ने दिखाया कि 'आउट-ऑफ-प्लेन' जेट्स के लिए कणों का वितरण वास्तव में अधिक विस्तृत है। इसके अलावा, उन्होंने एक "डिफ्यूजन वेक" (diffusion wake) की पहचान की, जो जेट के पीछे का एक ऐसा क्षेत्र है जहाँ कणों का घनत्व आसपास के माध्यम की तुलना में वास्तव में कम होता है। यह कमी 'आउट-ऑफ-प्लेन' जेट्स के लिए अधिक गहरी है, जो इस विचार के अनुरूप है कि उस दिशा में चलने वाली मजबूत हवा जेट के पथ से अधिक पदार्थ को दूर खींच लेती है। विभिन्न दिशाओं में कणों के पैटर्न की तुलना करके, शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि एक व्यक्ति अन्य पृष्ठभूमि शोर से इस 'एलिप्टिक विंड' के प्रभाव को अलग कर सकता है।

अध्ययन ने यह भी पता लगाया कि प्लाज्मा की "मोटाई" या श्यानता (viscosity) इस घटना को कैसे प्रभावित करती है। श्यानता एक तरल के बहने के प्रतिरोध का माप है; शहद जैसे गाढ़े तरल की श्यानता उच्च होती है, जबकि पानी की कम होती है। सिमुलेशन ने दिखाया कि 'वेक' का एलिप्टिक विस्तार इस गुण के प्रति संवेदनशील है। जब प्लाज्मा की श्यानता कम होती है, तो 'वेक' और भी चौड़ा हो जाता है, और जेट के पीछे की कमी और भी गहरी हो जाती है। यह संवेदनशीलता बताती है कि वास्तविक प्रयोगों में 'वेक' के आकार को मापकर, वैज्ञानिक क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा की श्यानता पर अधिक कड़े प्रतिबंध लगा सकते हैं, जिससे इसके मौलिक स्वभाव के बारे में हमारी समझ को और परिष्कृत किया जा सके। यह कार्य लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर जैसी सुविधाओं में प्रयोग करने वाले वैज्ञानिकों के लिए इन विशिष्ट दिशात्मक अंतरों को खोजने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है। यह मापकर कि 'वेक' का आकार जेट के कोण के साथ कैसे बदलता है, शोधकर्ता केवल ऊर्जा हानि को देखने से आगे बढ़कर यह समझने की ओर बढ़ सकते हैं कि प्लाज्मा की आंतरिक संरचना और प्रवाह कणों की यात्रा को ठीक कैसे आकार देते हैं।