Complex-energy spectrum and dissociation of heavy quarkonia in an anisotropic collisional quark-gluon plasma
यह शोध पत्र एक पूर्ण जटिल विभव (complex potential) के साथ श्रोडिंगर समीकरण को हल करके, एक अनिसोट्रोपिक (anisotropic), कोलिजनल क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा में भारी क्वार्कोनिया के वियोजन (dissociation) की जांच करता है, जो यह प्रकट करता है कि बढ़ता अनिसोट्रॉपी वियोजन तापमान को बढ़ाता है और जटिल आइजनमानों (eigenvalues) से प्राप्त थर्मल विड्थ (thermal widths), प्रथम-क्रम के अनुमानों से काफी भिन्न होते हैं।
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ब्रह्मांड के हृदय में, बिग बैंग के बाद के पहले कुछ सेकंडों के भीतर, पदार्थ आज के ठोस परमाणुओं के रूप में मौजूद नहीं था। इसके बजाय, यह क्वार्क और ग्लूऑन नामक मौलिक कणों का एक उबलता हुआ, अत्यधिक गर्म सूप था, जिसे 'क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा' के रूप में जाना जाता है। हमारी रोजमर्रा की दुनिया में, क्वार्क प्रोटॉन और न्यूट्रॉन जैसे कणों के भीतर स्थायी रूप से बंद होते हैं, जिन्हें कभी भी स्वतंत्र रूप से घूमने की अनुमति नहीं होती। लेकिन इस आदिम प्लाज्मा में, गर्मी इतनी तीव्र होती है कि उन्हें एक साथ रखने वाले बल कमजोर हो जाते हैं, जिससे वे घूमने के लिए स्वतंत्र हो जाते हैं। पदार्थ की इस चरम अवस्था कैसे व्यवहार करती है, इसे समझने के लिए, भौतिक विज्ञानी अक्सर "हैवी क्वार्कोनिया" (heavy quarkonia) को देखते हैं, जो आपस में जुड़े भारी क्वार्क के जोड़े होते हैं। ये जोड़े सूक्ष्म, नाजुक जांच (probes) की तरह कार्य करते हैं जो प्लाज्मा में थोड़े समय के लिए जीवित रह सकते हैं, और उनके टूटने के तरीके का अध्ययन करके, वैज्ञानिक इस विलक्षण वातावरण के अदृश्य बलों और तापमान के बारे में जान सकते हैं।
भारत के नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस एजुकेशन एंड रिसर्च के भौतिक विज्ञानी नजमुल हक द्वारा किया गया एक नया अध्ययन इस बात पर करीब से नज़र डालता है कि भारी क्वार्क जोड़े कैसे व्यवहार करते हैं जब उनके आसपास का प्लाज्मा पूरी तरह से एकसमान नहीं होता है। कई सैद्धांतिक मॉडलों में, वैज्ञानिक यह मान लेते हैं कि प्लाज्मा सभी दिशाओं में समान रूप से फैलता है, जैसे कि एक गुब्बारा फूल रहा हो। हालांकि, भारी आयनों के हिंसक टकरावों में, जो कण त्वरकों (particle accelerators) में इस प्लाज्मा को बनाते हैं, विस्तार अक्सर खिंचा हुआ और असमान होता है, जिससे "एनिसोट्रॉपी" (anisotropy) की स्थिति पैदा होती है जहाँ वातावरण देखने के नजरिए के आधार पर अलग दिखता है। हक के काम ने इस जटिल गणितीय पहेली को हल किया है कि यह असमानता भारी क्वार्क जोड़ों के भाग्य को कैसे बदलती है, विशेष रूप से चारमोनियम (charmonium) और बॉटॉमोनियम (bottomonium) के सबसे स्थिर संस्करणों, जिन्हें 1S अवस्थाएं कहा जाता है, पर ध्यान केंद्रित करते हुए।
इसे करने के लिए, शोधकर्ता ने श्रोडिंगर समीकरण (Schrödinger equation) के एक परिष्कृत संस्करण का उपयोग किया, जो भौतिकी का एक मौलिक उपकरण है और यह बताता है कि क्वांटिक कण कैसे चलते हैं और परस्पर क्रिया करते हैं। पिछले अध्ययनों के विपरीत, जिन्होंने प्लाज्मा की अव्यवस्थित, अराजक अंतःक्रियाओं को एक छोटे, सरल सुधार के रूप में माना था, इस कार्य ने शुरू से ही वातावरण की पूर्ण जटिलता को माना। क्वार्क जोड़े को एक साथ रखने वाली संभावित ऊर्जा (potential energy) को दो भागों के रूप में मॉडल किया गया था: एक वास्तविक भाग जो उन्हें बांधे रखता है, और एक काल्पनिक भाग जो उस तापीय शोर और टकरावों का प्रतिनिधित्व करता है जो उन्हें अलग करने की कोशिश करते हैं। दोनों भागों को सक्रिय रूप से एक साथ हल करके, अध्ययन ने सटीक रूप से गणना की कि जोड़ा कितनी ऊर्जा से बंधा हुआ है और वह कितनी तेजी से आसपास के सूप में विघटित या "डिसोसिएट" (dissociate) होगा।
परिणाम एक आश्चर्यजनक लचीलेपन को प्रकट करते हैं। जैसे-जैसे प्लाज्मा की एनिसोट्रॉपी बढ़ती है—जिसका अर्थ है कि वातावरण अधिक खिंचा हुआ और असमान होता जा रहा है—इन भारी क्वार्क जोड़ों को तोड़ने के लिए आवश्यक तापमान वास्तव में बढ़ जाता है। चारमोनियम अवस्था के लिए, इसे विघटित करने के लिए आवश्यक तापमान एक समान प्लाज्मा की तुलना में अत्यधिक खिंचे हुए प्लाज्मा में उच्च मान तक बढ़ जाता है। भारी बॉटॉमोनियम अवस्था के लिए, विघटन तापमान एक निचले मान से ऊपर की ओर बढ़ता है। यह सुझाव देता है कि प्लाज्मा का यही विरूपण, जो ऐसा लग सकता है कि चीजों को अधिक अराजक बना देगा, वास्तव में इन विशिष्ट भारी कणों को गर्मी के विरुद्ध थोड़ा अधिक समय तक बांधे रखने में मदद करता है।
अध्ययन ने प्लाज्मा में मौजूद इन कणों के आकार की भी जांच की। भले ही वातावरण खिंचा हुआ है, भारी क्वार्क जोड़े अपनी आंतरिक संरचना में उल्लेखनीय रूप से गोलाकार बने रहते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि जोड़े अभी भी अपने सबसे सरल, गोल आकार द्वारा अत्यधिक नियंत्रित हैं, जिसमें अधिक जटिल आकारों में केवल बहुत मामूली, लगभग नगण्य विरूपण है। यह स्थिरता महत्वपूर्ण है क्योंकि इसका मतलब है कि जटिल परिस्थितियों में भी उनका वर्णन करने के लिए उपयोग किए जाने वाले सरल मॉडल काफी हद तक वैध हैं। इसके अलावा, अध्ययन ने अपने द्वारा गणना की गई क्षय दरों की तुलना सुपरकंप्यूटर सिमुलेशन से की जानी जानी है जिन्हें लैटिस क्यूसीडी (lattice QCD) के रूप में जाना जाता है। जबकि भारी बॉटॉमोनियम कणों के लिए संख्याएँ इन सिमुलेशन की तुलना में कुछ अधिक थीं, हल्के चारमोनियम कणों के लिए परिणाम उसी सामान्य सीमा में थे, जो हमारे क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा की समझ के लिए एक उपयोगी क्रॉस-चेक प्रदान करता है।
अंत में, शोधकर्ताओं ने इन निष्कर्षों का उपयोग इन कणों की "उत्तरजीविता संभावना" (survival probability) का अनुमान लगाने के लिए किया। उन्होंने गणना की कि यदि एक भारी क्वार्क जोड़े को इस गर्म, एनिसोट्रोपिक वातावरण में एक विशिष्ट, सूक्ष्म समय के लिए रखा जाए, तो उसके बरकरार रहने की क्या संभावना है। परिणाम दर्शाते हैं कि जबकि भारी बॉटॉमोनियम जोड़ों के पास जीवित रहने का एक अच्छा मौका है, हल्के चारमोनियम जोड़े के नष्ट होने की संभावना बहुत अधिक है, जिनके बरकरार रहने की संभावना केवल लगभग 13 से 20 प्रतिशत है। यह कार्य एक विकृत, टकराव-भरे प्लाज्मा के साथ इन भारी कणों के कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, इसका एक स्पष्ट hơn और अधिक सुसंगत चित्र प्रदान करता है, जो प्रारंभिक ब्रह्मांड और आधुनिक कण त्वरकों में घटित होने वाली शक्तियों की पूर्ण, जटिल वास्तविकता को पकड़ने के लिए सरल सन्निकटन (approximations) से आगे बढ़ता है।
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