The role of strangeness and baryon enhancement in heavy-quark hadronisation from pp to Pb$-$Pb collisions with ALICE

पदार्थ के हृदय की गहराइयों में, जहाँ ब्रह्मांड के निर्माण खंड निवास करते हैं, एक ऐसी प्रक्रिया विद्यमान है जो प्रकृति की सबसे कठिन पहेलियों में से एक बनी हुई है। जब उच्च-ऊर्जा टकरावों में क्वार्क्स (quarks), जो प्रोटॉन और न्यूट्रॉन बनाने वाले मौलिक कण हैं, उत्पन्न होते हैं, तो वे अकेले नहीं रहते। उन्हें स्थिर समूहों को बनाने के लिए अन्य कणों के साथ तुरंत जुड़ना पड़ता है जिन्हें हैड्रोन (hadrons) कहा जाता है। यह रूपांतरण, जिसे हैड्रोनाइजेशन (hadronisation) के रूप में जाना जाता है, स्ट्रॉन्ग फोर्स (strong force) द्वारा नियंत्रित होता है, जो प्रकृति की सबसे शक्तिशाली अंतःक्रिया है। हालाँकि, इस प्रक्रिया के नियम इतने जटिल हैं कि वर्तमान गणित का उपयोग करके उन्हें प्रथम सिद्धांतों (first principles) से नहीं निकाला जा सकता। दशकों से, भौतिकविदों ने सरल टकरावों, जैसे कि इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन के बीच होने वाले टकरावों से प्राप्त डेटा पर भरोसा किया है ताकि यह समझने के लिए एक मानक मॉडल बनाया जा सके कि ये कण आपस में कैसे जुड़ते हैं। यह मॉडल यह मान लेता है कि क्वार्क्स के माध्यम से पदार्थ बनने का तरीका सार्वभौमिक (universal) है, जिसका अर्थ है कि यह वातावरण की परवाह किए बिना एक ही तरह से होता है। फिर भी, हालिया अवलोकन बताते हैं कि यह धारणा गलत हो सकती है, जो इस ओर संकेत करती है कि वातावरण स्वयं पदार्थ के संयोजन के नियमों को बदल सकता है।

लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर में ALICE डिटेक्टर का उपयोग करने वाले एक शोधकर्ता ने अब इस घटना पर बारीकी से नज़र डाली है, विशेष रूप से एक भारी चार्म क्वार्क (charm quark) वाले कणों पर ध्यान केंद्रित किया है। प्रोटॉन को आपस में टकराकर और भारी लेड आयनों (lead ions) को टकराकर, उन्होंने खाली स्थान से लेकर मुक्त क्वार्क्स और ग्लूऑन्स के घने, गर्म सूप तक के वातावरण बनाए। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या स्ट्रेंज क्वार्क्स (strange quarks) की उपस्थिति और टकराव के वातावरण का घनत्व, चार्म क्वार्क्स के यह तय करने के तरीके को बदल सकता है कि वे किन साथियों के साथ जुड़ें। परिणाम व्यवहार में एक स्पष्ट बदलाव प्रकट करते हैं: भारी-आयन टकरावों की भीड़भाड़ वाली स्थितियों में, चार्म क्वार्क्स के जटिल, बहु-कण समूहों को बनाने की संभावना सरल टकरावों की तुलना में बहुत अधिक होती है। यह खोज लंबे समय से चली आ रही सार्वभौमिक तंत्र की धारणा को चुनौती देती है और एक ऐसी प्रक्रिया की ओर संकेत करती है जहाँ कण एक एकल स्रोत से अलग होने के बजाय संसाधनों के साझा पूल से एक साथ विलीन होते हैं।

अध्ययन की शुरुआत प्रोटॉन के बीच टकरावों के परीक्षण से हुई, जो इन प्रयोगों में उपयोग किए जाने वाले पदार्थ के सबसे छोटे घटक हैं, जो 13.6 ट्रिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट के ऊर्जा स्तर पर थे। शोधकर्ता ने एक विशिष्ट प्रकार के चार्म बैरयॉन (charm baryon), जो तीन क्वार्क्स से बना एक कण है, का एक चार्म मेसॉन (charm meson), जो दो कणों से बना है, के साथ अनुपात को मापा। सरल प्रोटॉन टकरावों में, यह अनुपात इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन टकरावों में देखे गए अनुपात से काफी अधिक पाया गया और उन मानक कंप्यूटर मॉडलों से भी अधिक था जो इन कणों के बनने की भविष्यवाणी करते हैं। ये मॉडल, जो यह मानते हैं कि कण निर्वात (vacuum) में टूटकर बनते हैं, इन तीन-क्वार्क समूहों की प्रचुरता को समझाने में विफल रहे। डेटा बताता है कि प्रोटॉन टकरावों में, उच्च ऊर्जा पर भी, कुछ अतिरिक्त तंत्र काम कर रहे हैं, जैसे कि कणों का पुनर्संयोजन (reconnecting) या छोटे, अस्थायी प्लाज्मा बूंदों का बनना, जो इन अधिक जटिल संरचनाओं के निर्माण को प्रोत्साहित करते हैं।

यह समझने के लिए कि यह एक बहुत अधिक घने वातावरण में कैसे बदल जाता है, शोधकर्ता ने लेड आयनों के बीच टकरावों की ओर रुख किया, जो क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा (quark-gluon plasma) नामक पदार्थ की स्थिति पैदा करते हैं। इन टकरावों में ऊर्जा का घनत्व इतना अधिक होता है कि प्रोटॉन और न्यूट्रॉन पिघल जाते हैं, जिससे उनके घटक क्वार्क्स एक साझा, अराजक माध्यम में मुक्त हो जाते हैं। शोधकर्ता ने इन भारी-आयन टकरावों में एक विशिष्ट स्ट्रेंज चार्म बैरयॉन के उत्पादन को मापा और पाया कि इसमें नाटकीय वृद्धि हुई है। इन कणों के उत्पादन की दर उन अपेक्षाओं से लगभग तीन गुना अधिक थी जो तब होती यदि कण बिना किसी अंतःक्रिया के केवल वहां से गुजर रहे होते। यह विशाल वृद्धि दर्शाती है कि घना वातावरण सक्रिय रूप से चार्म क्वार्क्स को साथी खोजने में मदद कर रहा है, विशेष रूप से वे जिनमें स्ट्रेंज क्वार्क्स शामिल हैं, ताकि नए हैड्रोन बनाए जा सकें। डेटा उन मॉडलों के अनुरूप है जहाँ कणों का निर्माण आसपास के 'सूप' से विलय (coalesce) के माध्यम से होता है, न कि स्वतंत्र रूप से।

जांच में यह भी देखा गया कि टकराव में उत्पन्न होने वाले कणों की संख्या बढ़ने के साथ स्ट्रेंज चार्म मेसॉन और गैर-स्ट्रेंज चार्म मेसॉन का अनुपात कैसे बदलता है। सरल प्रोटॉन टकरावों में, यह अनुपात इस बात की परवाह किए बिना स्थिर रहा कि कितने कण उत्पन्न हुए, जो इस परिदृश्य के अनुरूप है कि कण केवल विखंडन (fragmentation) द्वारा बनते हैं। हालाँकि, लेड-आयन टकरावों में, स्ट्रेंज और गैर-स्ट्रेंज कणों का अनुपात जैसे-जैसे टकराव अधिक भीड़भाड़ वाला होता गया, वैसे-वैसे बढ़ता गया। यह रुझान बताता है कि जैसे-जैसे वातावरण में अधिक कण भरते हैं, एक चार्म क्वार्क के स्ट्रेंज क्वार्क के साथ जुड़ने की संभावना बढ़ जाती है। बहुत उच्च गति पर, जहाँ कण इतने तेज़ चलते हैं कि वे माध्यम के साथ अंतःक्रिया नहीं कर पाते, अनुपात सरल टकरावों में देखे गए स्तर पर वापस आ जाता है, जो यह दर्शाता है कि विलय की प्रक्रिया केवल तभी प्रभावी होती है जब कण अपने परिवेश के साथ अंतःक्रिया करने के लिए पर्याप्त धीमे होते हैं।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि उनके निष्कर्ष भारी, उत्तेजित (excited) कणों के क्षय (decay) से प्रभावित नहीं हुए हैं, शोधकर्ता ने एक विशिष्ट उत्तेजित चार्म अवस्था के उत्पादन को भी मापा। इस माप ने स्थिर हैड्रोन की अंतिम गणना में इन अस्थिर कणों के योगदान पर पहली विस्तृत दृष्टि प्रदान की। डेटा ने दिखाया कि इन उत्तेजित अवस्थाओं का उत्पादन एक अनुमानित पैटर्न का पालन करता है जो देखे गए अंतिम अनुपातों को समझाने में मदद करता है। अन्य मापों के साथ मिलकर, साक्ष्य दृढ़ता से सुझाव देते हैं कि पदार्थ का निर्माण एक निश्चित, सार्वभौमिक नियम नहीं है, बल्कि एक गतिशील प्रक्रिया है जो अपने वातावरण के प्रति प्रतिक्रिया करती है। भारी-आयन टकरावों में निर्मित घने, स्ट्रेंज-समृद्ध (strangeness-rich) परिस्थितियों में, नियम बदल जाते हैं, जो विलय की प्रक्रिया के माध्यम से जटिल, स्ट्रेंज कणों के निर्माण को बढ़ावा देते हैं। यह कार्य चरम स्थितियों के तहत ब्रह्मांड के मूलभूत निर्माण खंड स्वयं को कैसे व्यवस्थित करते हैं, इसे समझने में एक महत्वपूर्ण कड़ी प्रदान करता है।