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Spin-dependent azimuthal asymmetry of coherent J/ $\psi$ photoproduction in hadronic PbPb collisions at $\sqrt{s_\mathrm{NN}}$ = 5.36 TeV

5.36 TeV PbPb टकरावों के CMS डेटा का उपयोग करते हुए, यह अध्ययन सुसंगत रूप से फोटोप्रॉड्युस्ड (photoproduced) J/ $\psi$ मेसॉन्स में एक महत्वपूर्ण ऋणात्मक स्पिन-निर्भर अज़ीमुथल विषमता (azimuthal asymmetry) के प्रथम अवलोकन की रिपोर्ट करता है, जो एक सैद्धांतिक मॉडल की पुष्टि करता है जहाँ मेसॉन आपतित फोटॉन के रैखिक ध्रुवीकरण को विरासत में प्राप्त करता है और रिएक्शन प्लेन निर्धारण के लिए एक नवीन विधि का सुझाव देता है।

मूल लेखक: CMS Collaboration

प्रकाशित 2026-09-07

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CC BY 4.0

मूल लेखक: CMS Collaboration

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उच्च-ऊर्जा भौतिकी के क्षेत्र में, वैज्ञानिक अक्सर ब्रह्मांड को केवल कणों के संग्रह के रूप में नहीं, बल्कि एक ऐसे मंच के रूप में देखते हैं जहाँ प्रकाश और पदार्थ चरम स्थितियों में परस्पर क्रिया करते हैं। जब लेड (सीसा) जैसे भारी परमाणु नाभिकों को प्रकाश की गति के करीब त्वरित किया जाता है और आपस में टकराया जाता है, तो वे अत्यधिक विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र उत्पन्न करते हैं। ये क्षेत्र वास्तविक फोटॉन, या प्रकाश के कणों की एक बाढ़ की तरह कार्य करते हैं, जो नाभिकों के आपस में टकराए बिना ही अन्य नाभिकों से टकरा सकते हैं। यह प्रक्रिया शोधकर्ताओं को वेक्टर मेसॉन नामक अल्पकालिक कण बनाने की अनुमति देती है, जो अनिवार्य रूप से साधारण पदार्थ को बनाने वाले कणों के भारी संबंधी होते हैं। एक प्रमुख प्रश्न इस क्षेत्र में यह है कि इन नवनिर्मित कणों का स्पिन, या उनकी आंतरिक घूर्णन, उनके टूटने के तरीके को कैसे प्रभावित करता है। इन टुकड़ों के उड़ने की दिशा का अध्ययन करके, भौतिक विज्ञesी यह समझने की आशा करते हैं कि प्रकाश पदार्थ में कैसे परिवर्तित होता है और टक्कर की ज्यामिति परिणाम को कैसे आकार देती है।

लार्ज हैड्रोन कोलाइडर में CMS डिटेक्टर का उपयोग करने वाले एक शोधकर्ता ने अब लेड-लेड टकरावों में एक विशिष्ट प्रकार के कण क्षय (decay) का अवलोकन करके इस प्रश्न का एक स्पष्ट उत्तर प्रदान किया है। प्रयोग 5.36 ट्रिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट की टक्कर ऊर्जा पर हुआ था, एक ऐसा पैमाना जहाँ क्वांटम यांत्रिकी और सापेक्षता के नियम नाटकीय रूप से संचालित होते हैं। टीम ने J/psi नामक एक कण पर ध्यान केंद्रित किया, जो एक प्रकार का वेक्टर मेसॉन है और एक चार्म क्वार्क तथा उसके प्रति-पदार्थ साथी से बना है। इस अध्ययन में, J/psi मेसॉन नाभिकों के हिंसक टकराव से नहीं, बल्कि एक नाभिक से निकले फोटॉन की दूसरे के साथ परस्पर क्रिया से उत्पन्न हुए थे। ये कण फिर म्यूऑन (muons) के जोड़े में क्षय हुए, जो इलेक्ट्रॉनों के भारी संस्करण हैं। शोधकर्ता ने टक्कर के ओरिएंटेशन (अभिविन्यास) के सापेक्ष म्यूऑन के उत्सर्जन के कोणों को मापा, विशेष रूप से J/psi के स्पिन के प्रभाव को प्रकट करने वाले पैटर्न की तलाश की।

यह विश्लेषण 1.26 इनवर्स नैनोबर्न के टकरावों से एकत्र किए गए डेटा पर आधारित था, डेटा की एक विशिष्ट मात्रा जिसने शोधकर्ता को उन दुर्लभ घटनाओं को अलग करने की अनुमति दी जहाँ J/psi मेसॉन सुसंगत रूप से (coherently) उत्पन्न हुए थे, जिसका अर्थ है कि फोटॉन ने व्यक्तिगत प्रोटॉन या न्यूट्रॉन के बजाय पूरे नाभिक के साथ एक एकल इकाई के रूप में परस्पर क्रिया की थी। वैज्ञानिक ने म्यूऑन के उड़ान पथों के वितरण का परीक्षण किया और एक विशिष्ट, दोहराव वाला पैटर्न पाया। म्यूऑन के यादृच्छिक दिशाओं में उड़ने के बजाय, उन्होंने टक्कर के तल के सापेक्ष विशिष्ट कोणों के लिए एक प्राथमिकता दिखाई। इस पैटर्न को मॉड्यूलेशन की शक्ति को दर्शाने वाले एक मान द्वारा परिमाणित किया गया था, जिसे शोधकर्ता ने ऋणात्मक रूप से मापा। यह ऋणात्मक मान उच्च सांख्यिकीय निश्चितता के साथ प्रकट हुआ, जो पांच मानक विचलन (standard deviations) से अधिक था, जो भौतिकविदों द्वारा एक निर्णायक खोज का दावा करने के लिए उपयोग किया जाने वाला थ्रेशोल्ड है।

महत्वपूर्ण रूप से, अध्ययन में पाया गया कि यह पैटर्न इस आधार पर नहीं बदला कि टक्कर कितनी केंद्रीय थी या टक्कर क्षेत्र के भीतर J/psi मेसॉन कहाँ उत्पन्न हुआ था। विभिन्न स्थितियों में परिणाम की निरंतरता एक सुदृढ़ अंतर्निहित भौतिक तंत्र का सुझाव देती है। निष्कर्ष एक सैद्धांतिक मॉडल के अनुरूप हैं जहाँ J/psi मेसॉन उस फोटॉन की ध्रुवीकरण (polarization), या दिशात्मक संरेखण, को विरासत में प्राप्त करता है जिसने इसे बनाया था। क्योंकि फोटॉन का ध्रुवीकरण टक्कर की ज्यामिति से जुड़ा होता है, इसलिए J/psi के क्षय उत्पाद मूल प्रभाव के ओरिएंटेशन का मानचित्रण करते हैं। यह अवलोकन पुष्टि करता है कि क्षय उत्पादों का स्पिन मायने रखता है; म्यूऑन, जिनका एक विशिष्ट प्रकार का स्पिन होता है, अन्य कणों के समान अध्ययनों में उत्पन्न होने वाले पायोन (pions) की तुलना में भिन्न व्यवहार करते हैं।

यह कार्य पहली बार है जब हैड्रोनिक टकरावों के भीतर सुसंगत रूप से उत्पन्न वेक्टर मेसॉन के क्षय में ऐसे स्पिन-निर्भर प्रभाव को स्पष्ट रूप से देखा गया है। यह इस विचार को मान्य करता है कि प्रारंभिक फोटॉन का ध्रुवीकरण मेसॉन के निर्माण के माध्यम से संरक्षित रहता है और उसके क्षय उत्पादों पर अंकित हो जाता है। इसके अलावा, अध्ययन दर्शाता है कि टक्कर के ओरिएंटेशन को, जिसे सटीक रूप से निर्धारित करना अक्सर कठिन होता है, इन कणों के ध्रुवीकरण से अनुमानित किया जा सकता है। यह भारी-आयन टकरावों की ज्यामिति को मापने के लिए एक नया, स्वतंत्र तरीका प्रदान करता है, जो विशेष रूप से छोटे टक्कर प्रणालियों के अध्ययन के लिए उपयोगी हो सकता है जहाँ पारंपरिक तरीके संघर्ष करते हैं। परिणाम फोटॉन-प्रेरित अंतःक्रियाओं के स्पिन डायनामिक्स में एक सीधा दृश्य प्रदान करते हैं, यह पुष्टि करते हुए कि जिस प्रकाश की दिशा से कण बनता है, वही दिशा निर्धारित करती है कि वह कण किस दिशा में टूटता है।

तकनीकी सारांश: हैड्रोनिक PbPb कोलिशन में कोहेरेंट $J/\psi$ फोटोप्रोडक्शन की स्पिन-डिपेंडेंट अज़ीमुथल एसिमेट्री (Azimuthal Asymmetry)

समस्या और प्रेरणा
अल्ट्रारिलेटिविस्टिक हेवी-आयन कोलिशन में, नाभिकों के तीव्र विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र (electromagnetic fields) को क्वासी-रियल फोटॉन्स (quasi-real photons) के फ्लक्स के रूप में मॉडल किया जा सकता है। ये फोटॉन वर्चुअल क्वार्क-एंटीक्वार्क जोड़े में फ्लक्चुएट हो सकते हैं और कलर-सिंगलेट ग्लूऑन एक्सचेंज के माध्यम से दूसरे नाभिक के साथ इंटरैक्ट करके वास्तविक वेक्टर मेसॉन (जैसे, $J/\psi$ , $\rho^0$ ) उत्पन्न कर सकते हैं। जबकि कोहेरेंट फोटोप्रोडक्शन का अल्ट्रापरिफेरल कोलिशन (UPC) में व्यापक अध्ययन किया गया है, जहाँ इम्पैक्ट पैरामीटर नाभिकीय त्रिज्याओं के योग से अधिक होता है, यह प्रक्रिया हैड्रोनिक कोलिशन में भी होती है।

एक प्रमुख सैद्धांतिक भविष्यवाणी यह है कि लोरेन्त्ज़-कॉन्ट्रैक्टेड (Lorentz-contracted) विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों से प्राप्त लीनियरली पोलराइज्ड फोटॉन्स, कोहेरेंट रूप से उत्पादित वेक्टर मेसॉन में अपनी पोलराइजेशन स्थानांतरित करते हैं। यह पोलराइजेशन मेसॉन के क्षय उत्पादों (decay products) के अज़ीमुथल वितरण में पोलराइजेशन एक्सिस के सापेक्ष एक सेकंड-ऑर्डर हार्मोनिक मॉड्यूलेशन ( $\cos(2\phi)$ ) के रूप में प्रकट होना चाहिए। UPCs में पिछले मापन क्वांटम इंटरफेरेंस पर निर्भर थे, जहाँ अविभेद्य उत्पादन पथों (indistinguishable production paths) के बीच क्वांटम इंटरफेरेंस के माध्यम से मेसॉन के ट्रांसवर्स मोमेंटम ( $p_T$ ) को उसके पोलराइजेशन के साथ सह-संबंधित किया जाता था (जहाँ या तो नाभिक फोटॉन स्रोत के रूप में कार्य करता है)। हालाँकि, बड़े रैपिडिटी (rapidity) या एसिमेट्रिक सिस्टम में यह इंटरफेरेंस कम हो जाता है, और $J/\psi$ जैसे भारी मेसॉन के क्षय होने वाले लेप्टॉन्स का उच्च $p_T$ सटीक $p_T$ दिशा निर्धारण को कठिन बना देता है।

केंद्रित समस्या हैड्रोनिक कोलिशन के भीतर कोहेरेंट रूप से फोटोप्रोड्यूस्ड वेक्टर मेसॉन में प्रत्यक्ष स्पिन-डिपेंडेंट अज़ीमुथल एसिमेट्री के प्रत्यक्ष अवलोकन से संबंधित है, जो क्वांटम इंटरफेरेंस प्रभावों से स्वतंत्र है। शोध पत्र दूसरे-ऑर्डर इवेंट प्लेन ( $\Psi_2$ ) का उपयोग करने का प्रस्ताव करता है, जिसे चार्ज कणों के फ्लो (flow) से पुनर्गठित किया गया है, जो इम्पैक्ट पैरामीटर की दिशा और फलस्वरूप फोटॉन पोलराइजेशन एक्सिस के लिए एक सुदृढ़ प्रॉक्सी (proxy) के रूप में कार्य करता है।

कार्यप्रणाली (Methodology)
यह विश्लेषण CMS प्रयोग के डेटा का उपयोग करता है, जो $\sqrt{s_{NN}} = 5.36$ TeV की न्यूक्लियॉन-न्यूक्लियॉन सेंटर-ऑफ-मास ऊर्जा पर LHC में एकत्रित किए गए लीड-लीड (PbPb) कोलिशन के अनुरूप है, जिसे 1.26 nb $^{-1}$ की इंटीग्रेटेड ल्युमिनोसिटी के साथ 2023 में एकत्र किया गया था।

इवेंट सिलेक्शन: इवेंट्स को एक मिनिमम-बायस ट्रिगर का उपयोग करके चुना जाता है जिसमें फॉरवर्ड हैड्रॉन कैलोरीमीटर (HF) में ऊर्जा जमाव और जीरो-डिग्री कैलोरीमीटर (ZDC) में न्यूट्रॉन उम्मीदवार शामिल होते हैं। ऑफलाइन, इवेंट्स को 50–80% सेंट्रैलिटी क्लास तक सीमित रखा जाता है ताकि एक महत्वपूर्ण कोहेरेंट योगदान सुनिश्चित किया जा सके और बैकग्राउंड को प्रबंधित किया जा सके। प्राइमरी वर्टिक्स को बीम एक्सिस के साथ इंटरेक्शन पॉइंट के 25 सेमी के भीतर होना आवश्यक है।
सिग्नल रिकंस्ट्रक्शन: $J/\psi$ मेसॉन को उनके म्यूऑन पेयर्स ( $J/\psi \to \mu^+\mu^-$ ) में क्षय के माध्यम से पुनर्गठित किया जाता है। म्यूऑन्स को "सॉफ्ट म्यूऑन" पहचान मानदंडों को पूरा करना चाहिए और एक $\eta$ -डिपेंडेंट लोअर $p_T$ बाउंड्री द्वारा परिभाषित फिडुशियल फेज स्पेस के भीतर होना चाहिए। म्यूऑन पेयर्स का इनवेरिएंट मास 2.6 और 4.2 GeV के बीच होना चाहिए।
इवेंट प्ले निर्धारण: सेकंड-ऑर्डर इवेंट प्ले एंगल ( $\Psi_2$ ) को $0.3 < p_T < 3.0$ GeV और $|\eta| < 2.4$ वाले ट्रैक्स से प्राप्त फ्लो वेक्टर ( $Q_2$ ) का उपयोग करके पुनर्गठित किया जाता है, जिसमें ऑटोकोरिलेशन से बचने के लिए चयनित म्यूऑन पेयर्स से जुड़े ट्रैक्स को बाहर रखा जाता है। इवेंट प्ले रेजोल्यूशन को HF कैलोरीमीटर के साथ थ्री-सबइवेंट मेथड का उपयोग करके निर्धारित किया जाता है।
एसिमेट्री मेजरमेंट: $J/\psi$ रेस्ट फ्रेम में पॉजिटिव म्यूऑन का अज़ीमुथल कोण ( $\phi_{\mu^+}$ ) मापा जाता है। विचारणीय चर $\Delta\phi = \phi_{\mu^+} - \Psi_2$ है। $\Delta\phi$ के वितरण को $N(\Delta\phi) = C(1 + 2A_2^{obs}\cos(2\Delta\phi))$ के रूप में फिट किया जाता है।
बैकग्राउंड और एफिशिएंसी करेक्शन:
- कोहेरेंट $J/\psi$ सिग्नल को लो ट्रांसवर्स मोमेंटम ( $p_T < 0.2$ GeV) उम्मीदवारों का चयन करके अलग किया जाता है, जहाँ कोहेरेंट योगदान प्रभावी होता है।
- इनकोहेरेंट और हैड्रोनिक प्रोडक्शन के योगदान का अनुमान उच्च- $p_T$ क्षेत्रों (जहाँ हैड्रोनिक प्रक्रियाएं प्रभावी होती हैं) से $p_T$ स्पेक्ट्रम को एक्सट्रपोलेट करके लगाया जाता है और उन्हें घटाया जाता है।
- डिटेक्टर एक्सेप्टेंस और रिकंस्ट्रक्शन एफिशिएंसी को HYDJET इवेंट्स में एम्बेडेड (STARLIGHT कोहेरेंट के लिए, PYTHIA हैड्रोनिक के लिए) सिमुलेशन का उपयोग करके सुधारा जाता है, जिसमें डेटा-टू-सिमुलेशन स्केल फैक्टर्स लागू किए जाते हैं।
- ऑब्जर्व्ड एम्पलीट्यूड $A_2^{obs}$ को इवेंट प्ले रेजोल्यूशन के लिए करेक्ट किया जाता है ताकि भौतिक एसिमेट्री एम्पलीट्यूड $A_2$ प्राप्त हो सके।

मुख्य परिणाम
विश्लेषण कोहेरेंट रूप से फोटोप्रोड्यूस्ड $J/\psi$ मेसॉन से म्यूऑन्स के लिए एक सांख्यिकीय रूप से महत्वपूर्ण नेगेटिव अज़ीमुथल एसिमेट्री प्रदान करता है:

मापा गया एम्पलीट्यूड: $A_2 = -0.194 \pm 0.022 \text{ (stat)} \pm 0.018 \text{ (syst)}$ ।
महत्ता (Significance): परिणाम शून्य से पांच मानक विचलन (standard deviations) से अधिक विचलित होता है।
निर्भरता: $A_2$ मान $J/\psi$ रैपिडिटी ( $1.6 < |y| < 2.4$ ) या कोलिजन सेंट्रैलिटी (50–80%) पर कोई महत्वपूर्ण निर्भरता नहीं दिखाते हैं।
सैद्धांतिक तुलना: मापा गया नेगेटिव एम्पलीट्यूड Wu et al. और Shao et al. के सैद्धांतिक मॉडलों के अनुरूप है, जो भविष्यवाणी करते हैं कि $J/\psi$ इनकमेंट फोटॉन की लीनियर पोलराइजेशन को विरासत में प्राप्त करता है, जो इम्पैक्ट पैरामीटर (और इस प्रकार इवेंट प्ले) के साथ सह-संबंधित है। Wu et al. का मॉडल, जो भाग लेने वाले न्यूक्लियॉन्स के कारण आंशिक कोहेरेंस लॉस को ध्यान में रखता है, सभी सेंट्रलिटी और रैपिडिटी अंतराल में डेटा का अच्छा वर्णन प्रदान करता है। इसके विपरीत, Shao et al. का मॉडल, जो एक इम्पैक्ट-पैरामीटर डिपेंडेंट सैचुरेशन मॉडल पर आधारित है, विभिन्न फोटॉन हेलिसिटी अवस्थाओं के बीच इंटरफेरेंस से नेगेटिव $A_2$ मानों की भविष्यवाणी करता है; हालाँकि, अनुमानित मॉड्यूलेशन एम्पलीट्यूड मापों से लगभग दो गुना अधिक हैं।

महत्ता और दावे
शोध पत्र हैड्रोनिक कोलिशन में कोहेरेंट रूप से फोटोप्रोड्यूस्ड वेक्टर मेसॉन के क्षय से उत्पन्न स्पिन-1/2 म्यूऑन्स की अज़ीमुथल एसिमेट्री में नेगेटिव मॉड्यूलेशन के पहले अवलोकन का दावा करता है। यह खोज, $\rho^0$ डिके से स्पिन-0 पायॉन्स के पॉजिटिव मॉड्यूलेशन के पिछले मापों के साथ मिलकर, कोहेरेंट रूप से फोटोप्रोड्यूस्ड वेक्टर मेसन्स के क्षय उत्पादों की अज़ीमुथल एसिमेट्री में स्पिन-स्टेट डिपेंडेंस का सीधा प्रयोगात्मक प्रमाण प्रदान करती है।

इसके अलावा, शोध पत्र यह दावा करता है कि क्षय उत्पादों और दूसरे-ऑर्डर इवेंट प्ले के बीच देखा गया सहसंबंध यह सिद्ध करता है कि इवेंट प्ले हैड्रोनिक कोलिशन में कोहेरेंट रूप से फोटोप्रोडक्टेड वेक्टर मेसॉन की पोलराइजेशन दिशा के लिए एक प्रयोगात्मक रूप से सुदृढ़ प्रॉक्सी के रूप में कार्य कर सकता है। क्वांटम इंटरफेरेंस पर निर्भर विधियों के विपरीत, यह दृष्टिकोण एक विस्तृत रैपिडिटी रेंज और विभिन्न कोलिजन सिस्टमों में लागू किया जा सकता है। लेखक सुझाव देते हैं कि यह सहसंबंध रिएक्शन प्ले निर्धारण के लिए एक नया दृष्टिकोण प्रदान करता है जो नॉनफ्लो प्रभावों (nonflow effects) और इवेंट-बाय-इवेंट फ्लक्चुएशन से काफी हद तक स्वतंत्र है, जो संभावित रूप से छोटे कोलिजन सिस्टम (जैसे, प्रोटॉन-न्यूक्लियस कोलिशन) में सामूहिक व्यवहार (collective behavior) के अध्ययन में मूल्यवान सिद्ध हो सकता है।

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