STAR Highlights II: Study of Small Systems and the Search for New, Exotic Physics

एक चौथाई सदी से, वैज्ञानिक लगभग प्रकाश की गति से भारी परमाणु नाभिकों को आपस में टकरा रहे हैं ताकि उन स्थितियों को फिर से बनाया जा सके जो बिग बैंग के एक मिलियनवें सेकंड के बाद अस्तित्व में थीं। 'रिलेटिविस्टिक हेवी आयन कोलाइडर' नामक एक विशाल कण त्वरक (पार्टिकल एक्सेलरेटर) के भीतर निर्मित यह अत्यधिक वातावरण इतना गर्म और सघन है कि यह साधारण पदार्थ से बने प्रोटॉन और न्यूट्रॉन को पिघला सकता है। जब ये कण पिघलते हैं, तो वे 'क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा' नामक पदार्थ की एक नई अवस्था बनाते हैं, जो मौलिक कणों का एक ऐसा सूप है जो लगभग बिना किसी घर्षण के बहता है। इस प्लाज्मा के व्यवहार का अध्ययन करके, शोधकर्ता यह समझने की उम्मीद करते हैं कि वे मूलभूत बल ब्रह्मांड को कैसे थामे रखते हैं। भौतिकविदों के लिए एक प्रमुख प्रश्न यह रहा है कि यह निर्धारित करना कि यह विदेशी, तरल-सदृश पदार्थ बनने से पहले टक्कर कितनी छोटी हो सकती है। क्या इस प्लाज्मा के लिए दो भारी सोने के परमाणुओं के बीच एक विशाल टक्कर की आवश्यकता होती है, या क्या यह एक एकल प्रोटॉन और एक भारी नाभिक के बीच होने वाली बहुत छोटी टक्कर से भी उभर सकता है?

'स्टार कोलैबोरेशन' (STAR collaboration) की एक हालिया रिपोर्ट, जो कोलाइडर में एक बड़े डिटेक्टर का संचालन करने वाला एक शोध समूह है, इन प्रश्नों का उत्तर देने और उप-परमाणु दुनिया के अन्य रहस्यों को खोजने के लिए पच्चीस वर्षों के डेटा का एक व्यापक दृष्टिकोण प्रस्तुत करती है। टीम ने दर्जनों अलग-अलग परमाणु प्रजातियों के संयोजनों, जिनमें छोटे प्रोटॉन से लेकर भारी यूरेनियम परमाणु तक शामिल हैं, और ऊर्जा के एक विस्तृत स्तरों पर टक्करों का विश्लेषण किया। उनका कार्य पुष्टि करता है कि इस गर्म, तरल प्लाज्मा का संकेत बहुत छोटी टक्कर प्रणालियों में भी दिखाई देता है, बशर्ते स्थितियाँ सही हों। उन्होंने परमाणु नाभिकों की आंतरिक संरचना को मापने के नए तरीके भी खोजे और उन विदेशी कणों के प्रमाण भी पाए जो नष्ट होने से पहले केवल एक क्षण के लिए अस्तित्व में रहते हैं।

सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्षों में से एक उस प्रणाली के आकार से संबंधित है जिसकी आवश्यकता इस प्लाज्मा को बनाने के लिए होती है। वर्षों से, वैज्ञानिक इस बात पर बहस कर रहे थे कि बड़ी टक्करों में देखा जाने वाला तरल-सदृश व्यवहार पदार्थ की एक वास्तविक अवस्था है या केवल स्वतंत्र कणों की परस्पर क्रियाओं का एक संग्रह है। स्टार टीम ने अतीत में उपयोग किए गए गोल्ड-ऑन-गोल्ड (सोने-पर-सोना) टकरावों की तुलना में बहुत छोटी प्रणाली, ऑक्सीजन नाभिकों को अन्य ऑक्सीजन नाभिकों के साथ टकराकर इसकी जांच की। उन्होंने प्लाज्मा के निर्माण के कई विशिष्ट संकेतों की तलाश की। उन्होंने देखा कि उच्च-ऊर्जा वाले कण माध्यम से गुजरते समय धीमे हो रहे थे, जिसे 'जेट क्वेंचिंग' (jet quenching) नामक घटना कहा जाता है। उन्होंने कुछ भारी कणों के उत्पादन में कमी भी देखी, जिससे पता चलता है कि वे तीव्र गर्मी के कारण टूट रहे हैं। इसके अलावा, टक्कर से उत्सर्जित विकिरण ने एक ऐसे तापमान का संकेत दिया जो एक गर्म प्लाज्मा के अनुरूप था, और विचित्र कणों (strange particles) के उत्पादन में वृद्धि इस तरह से हुई जो एक तरल माध्यम के अनुमानों से मेल खाती है। जब उन्होंने इन ऑक्सीजन टक्करों की तुलना ड्यूटेरियम (हाइड्रोजन का एक हल्का समस्थानिक) के साथ होने वाली टक्करों से की, तो उन्होंने पाया कि तरल व्यवहार टकराने वाले नाभिकों के आकार और आंतरिक संरचना पर निर्भर करता है, जो यह पुष्टि करता है कि यह संकेत पदार्थ की सामूहिक प्रतिक्रिया से आता है न कि यादृच्छिक संयोग से।

प्लाज्मा के अलावा, शोधकर्ताओं ने इन टक्करों का उपयोग अस्थिर परमाणु नाभिकों के क्षणिक अस्तित्व का अध्ययन करने के लिए किया। कम ऊर्जा वाली टक्करों में, उन्होंने सफलतापूर्वक लिथियम के उन समस्थानिकों (isotopes) के उत्पादन को मापा जो इतने अस्थिर हैं कि वे लगभग तुरंत नष्ट हो जाते हैं। इन अल्पकालिक कणों के आसपास के घने पदार्थ के साथ होने वाली अंतःक्रियाओं को ट्रैक करके, टीम ने उन सिद्धांतों का परीक्षण करने में सफलता प्राप्त की कि परमाणु नाभिकों को छोटे टुकड़ों से कैसे बनाया जाता है। उन्होंने पाया कि अधिक स्थिर कणों की तुलना में कम समय तक जीवित रहने वाले कणों का उत्पादन कम संख्या में होता है, जो सीधे तौर पर इन नाभिकों के निर्माण और आसपास के वातावरण द्वारा उनके विनाश के बीच की प्रतिस्पर्धा को दर्शाता है। विदेशी पदार्थ की एक अलग खोज में, टीम ने म्यूओनिक परमाणुओं (muonic atoms) की तलाश की, जो दुर्लभ संरचनाएं हैं जहाँ एक म्यूऑन (इलेक्ट्रॉन का भारी संबंधी) एक हैड्रोन की कक्षा में घूमता है। उन्हें टक्कर के मलबे में इन परमाणुओं के स्पष्ट संकेत मिले, जो उन 'सॉफ्ट म्यूऑन्स' के अध्ययन के लिए एक नया तरीका प्रदान करता है जिन्हें सीधे पहचानना असंभव है।

अध्ययन ने कणों के 'स्पिन' या आंतरिक घूर्णन का भी गहराई से विश्लेषण किया, जो एक गुण है जो क्वांटम वैक्यूम (quantum vacuum) के गहरे रहस्यों को प्रकट करता है। टीम ने फी मेसॉन (phi mesons) के स्पिन के संरेखण को मापा, जो एक प्रकार का कण है जो एक स्ट्रेंज क्वार्क और उसके प्रति-कण (antiparticle) से बना है। उनके द्वारा उत्पन्न कणों के पूर्ण द्वि-आयामी वितरण का विश्लेषण करके, उन्होंने स्पिन मैट्रिक्स के ऑफ-डायगोनल तत्वों में एक गैर-शून्य सिग्नल का पता लगाया। यह इंगित करता है कि क्वार्क और एंटी-क्वार्क के स्पिन एक विशिष्ट तरीके से सह-संबंधित हैं। इस सहसंबंध के मूल को समझने के लिए, उन्होंने प्रोटॉन टक्करों में लैम्ब्डा-एंटीलैम्ब्डा (lambda-antilambda) युग्मों के माप के साथ इसकी तुलना की, जहाँ उन्होंने एक मजबूत सहसंबंध पाया जो सुझाव देता है कि क्वांटम वैक्यूम कणों के निर्माण के समय उनकी संरचना पर अपनी छाप छोड़ता है। टीम अब यह देखने के लिए काम कर रही है कि क्या यह सहसंबंध भारी-आयन टक्करों के गर्म प्लाज्मा में भी बना रहता है, जो उन्हें यह बताएगा कि क्या अत्यधिक गर्मी वैक्यूम की संरचना को पिघला देती है या यह बनी रहती है।

अंत में, शोधकर्ताओं ने इन टक्करों में उत्पन्न पदार्थ के प्रवाह को मापने के नए तरीके विकसित किए। उन्होंने परीक्षण किया कि एक टक्कर से दूसरी टक्कर में कणों का औसत संवेग (momentum) कैसे बदलता है, जो यह प्रकट करता है कि प्रारंभिक 'फायरबॉल' का आकार कैसे बदलता है। इन मापों ने उन्हें क्वार्क-ग्लोन प्लाज्मा के भीतर ध्वनि की गति का अनुमान लगाने की अनुमति दी, जो एक ऐसा मान है जो बताता है कि माध्यम कितना सख्त या संपीड़ित (compressible) है। उनके परिणाम बताते हैं कि ध्वनि की गति तापमान के साथ इस तरह बदलती है जो 'लैटिस क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स' (lattice quantum chromodynamics) के सैद्धांतिक गणनाओं से मेल खाती है। उन्होंने यह भी पाया कि कणों का प्रवाह उनके द्रव्यमान पर निर्भर करता है, जिसमें भारी कण विस्तार करने वाले तरल से अधिक संवेग प्राप्त करते हैं—एक ऐसा पैटर्न जो उनके द्वारा अध्ययन की गई सभी विभिन्न टक्कर प्रणालियों में सत्य सिद्ध हुआ। प्लाज्मा के गुणों का यह विस्तृत मानचित्रण ब्रह्मांड के शुरुआती क्षणों में कैसा व्यवहार था, इसकी एक स्पष्ट तस्वीर प्रदान करता है और आने वाले दशकों के लिए भविष्य की खोजों का मार्ग प्रशस्त करता है।