Exploring nucleon spin by Drell-Yan process

प्रत्येक परमाणु के भीतर, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन पदार्थ के सघन कोर का निर्माण करते हैं, फिर भी वे ठोस, अपरिवर्तनीय गोले नहीं हैं। इसके बजाय, वे क्वार्क्स और ग्लूऑन्स नामक छोटे कणों के गतिशील बंडल हैं, जो निरंतर गति में रहते हैं। दशकों से, भौतिकविदों ने समझा है कि प्रोटॉन का स्पिन—जिस तरह से वह एक लट्टू की तरह घूमता है—केवल उसके तीन मुख्य क्वार्क्स के स्पिन का योग नहीं है। इस स्पिन का एक महत्वपूर्ण हिस्सा इन क्वार्क्स की कक्षीय गति (orbital motion) से आता है जो प्रोटॉन के भीतर तेजी से घूमते हैं, और उन ग्लूऑन्स से आता है जो उन्हें एक साथ थामे रखते हैं। इस अदृश्य आंतरिक परिदृश्य का मानचित्र बनाने के लिए, वैज्ञानिक प्रोटॉन की संरचना की जांच करने हेतु उच्च-ऊर्जा टकरावों का उपयोग करते हैं। इसके लिए सबसे शक्तिशाली उपकरणों में से एक वह प्रक्रिया है जहाँ दो हैड्रोन, जैसे कि प्रोटॉन या पायोन, आपस में टकराकर म्यूऑन (muons) का एक जोड़ा बनाते हैं, जो इलेक्ट्रॉन के भारी चचेरे भाई हैं। यह अध्ययन करके कि ये म्यूऑन किस तरह अलग होते हैं, शोधकर्ता उन क्वार्क्स के व्यवहार को पुनर्गठित कर सकते हैं जिन्होंने उन्हें बनाया है, जिससे यह पता चलता है कि प्रोटॉन का स्पिन कैसे निर्मित होता है।

स्पिन भौतिकी पर एक अंतर्राष्ट्रीय संगोष्ठी में वेन-चेन चांग द्वारा दी गई एक हालिया प्रस्तुति इस बात की समीक्षा करती है कि कैसे इस टकराव प्रक्रिया, जिसे ड्रे-यान (Drell-Yan) प्रक्रिया के रूप में जाना जाता है, का उपयोग इन आंतरिक गतियों की हमारी समझ का परीक्षण करने के लिए किया जा रहा है। यह कार्य क्वार्क्स के घूमने के दो विशिष्ट तरीकों पर केंद्रित है: उनका अनुप्रस्थ संवेग (transverse momentum), जो यह बताता है कि वे प्रोटॉन की दिशा के सापेक्ष अगल-बगल कैसे चलते हैं, और प्रोटॉन के स्पिन के साथ उनका सहसंबंध (correlation)। सरल शब्दों में, वैज्ञानिक यह देखने के लिए पैटर्न खोज रहे हैं कि क्या एक क्वार्क की बग़ल वाली गति, प्रोटॉन के घूमने की दिशा से जुड़ी हुई है। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि भौतिकी का एक मौलिक सिद्धांत भविष्यवाणी करता है कि स्पिन और पार्श्व गति के बीच का संबंध "स्पेस-लाइक" (space-like) या "टाइम-लाइक" (time-like) वातावरण के आधार पर अपना चिह्न बदल देगा। जबकि इलेक्ट्रॉन बीमों का उपयोग करने वाले पिछले प्रयोगों ने एक प्रकार की गति के लिए इस बदलाव की पुष्टि कर दी थी, ड्रे-यान प्रक्रिया यह जांचने का एक अनूठा तरीका प्रदान करती है कि क्या यह नियम अन्य प्रकार की गतियों के लिए भी सत्य है और क्या समान नियम तब भी लागू होते हैं जब प्रोटॉन को पायोन जैसे अन्य कणों से टकराया जाता है।

यह प्रस्तुति बोअर-मुल्डर्स फंक्शन (Boer-Mulders function) के संबंध में हालिया निष्कर्षों पर प्रकाश डालती है, जो प्रोटॉन के स्पिन के साथ क्वार्क्स और ग्लूऑन्स के सहसंबंध का एक गणितीय विवरण है। पिछले प्रयोगों के डेटा का विश्लेषण करके जहाँ पायोन बीम टंगस्टन लक्ष्यों से टकराए थे, शोधकर्ताओं ने म्यूऑन जोड़े के देखे गए पैटर्न की तुलना मानक क्वांटम सिद्धांत पर आधारित जटिल कंप्यूटर गणनाओं से की। परिणामों ने दिखाया कि जबकि मानक सिद्धांत कुछ डेटा की व्याख्या कर सकता है, लेकिन यह अकेले सब कुछ समझाने में सक्षम नहीं है। विशेष रूप से, डेटा ने उन कोणों में एक विशिष्ट पैटर्न प्रकट किया जिस पर म्यूऑन बाहर निकले, जो शुद्ध सैद्धांतिक भविष्यवाणियों से विचलित था। यह विचलन बोअर-मुल्डर्स प्रभाव की उपस्थिति का सुझाव देता है। इसके अलावा, इन नए निष्कर्षों को इलेक्ट्रॉन प्रकीर्णन प्रयोगों के पिछले परिणामों के साथ जोड़ने पर, साक्ष्य दृढ़ता से इस विचार का समर्थन करते हैं कि क्वार्क की गति और स्पिन के बीच का सहसंबंध दोनों प्रकार के टकरावों के बीच अपनी दिशा बदल देता है। यह पुष्टि इस बात का प्रमाण है कि प्रोटॉन के आंतरिक भाग को नियंत्रित करने वाले नियम सार्वभौमिक हैं, चाहे उसे जांचने के लिए किसी भी तरीके से प्रोब (probe) चलाया जाए।

इन पुष्ट निष्कर्षों से परे, यह शोध एक नए क्षितिज की ओर देखता है: 'सामान्यीकृत पार्टोन वितरण' (generalized parton distributions) का अध्ययन करने के लिए ड्रे-यान प्रक्रिया का उपयोग करना। ये अधिक जटिल मानचित्र हैं जो न केवल यह बताते हैं कि क्वार्क्स कैसे चलते हैं, बल्कि यह भी कि वे प्रोटॉन के भीतर कहाँ स्थित हैं। जबकि इन मानचित्रों को इलेक्ट्रॉन बीमों का उपयोग करके आंशिक रूप से खींचा गया है, यह शोध पत्र जापान के जे-पार्क (J-PARC) सुविधा में पायोन बीमों का उपयोग करके इस चित्र को पूरा करने के लिए एक नवीन विधि प्रस्तावित करता है। शोधकर्ताओं ने उच्च-ऊर्जा वाले पायोन को प्रोटॉन पर दागने और एक बहुत ही विशिष्ट, दुर्लभ घटना को खोजने की योजना बनाई है जहाँ एक पायोन और एक प्रोटॉन टकराकर एक आभासी फोटॉन (virtual photon) उत्पन्न करते हैं जो तुरंत एक म्यूऑन जोड़े में क्षय हो जाता है, जिससे प्रोटॉन बरकरार रहता है लेकिन न्यूट्रॉन में बदल जाता है। यह एक अत्यंत कठिन माप है क्योंकि सिग्नल अन्य टकरावों के बैकग्राउंड शोर की तुलना में बहुत छोटा होता है। हालांकि, विस्तृत सिमुलेशन बताते हैं कि एक समर्पित बीमलाइन और एक विशिष्ट डिटेक्टर सेटअप के साथ, इन दुर्लभ घटनाओं को अलग करना संभव है। सिमुलेशन संकेत देते हैं कि 15-GeV पायोन बीम के साथ लगभग 50 दिनों तक प्रयोग चलाने से प्रोटॉन की आंतरिक संरचना के विभिन्न सैद्धांतिक मॉडलों के बीच अंतर करने के लिए पर्याप्त डेटा उत्पन्न होगा।

इस नए माप का मार्ग जे-पार्क में एक उच्च-संवेग पायोन बीमलाइन के चरणबद्ध निर्माण की ओर जाता है। प्रारंभिक परीक्षणों ने पहले ही सफलतापूर्वक उन माध्यमिक कणों की पहचान कर ली है जिनकी प्रयोग के लिए आवश्यकता है, जिससे यह पुष्टि होती है कि बीम की तीव्रता भविष्यवाणियों से मेल खाती है। यदि सफल रहे, तो यह प्रयोग हैड्रोन बीमों का उपयोग करके टाइम-लाइक प्रक्रिया के माध्यम से प्रोटॉन की संरचना की पहली प्रत्यक्ष दृष्टि प्रदान करेगा, जो इलेक्ट्रॉन प्रकीर्णन से प्राप्त स्पेस-लाइक दृश्यों का एक पूरक दृश्य होगा। यह सत्यापित करके कि समान अंतर्निहित नियम इन विभिन्न टकराव वातावरणों में लागू होते हैं, भौतिकविदों को न्यूक्लियॉन की एक व्यापक त्रि-आयामी तस्वीर को अंतिम रूप देने की आशा है। यह कार्य केवल लापता डेटा को ही नहीं भरता है; यह प्रकृति की मौलिक समरूपताओं का कठोरता से परीक्षण करता है, यह सुनिश्चित करता है कि पदार्थ कैसे निर्मित है, इसकी हमारी समझ उस हर तरीके पर सही बनी रहे जिससे हम इसका परीक्षण करना चुनते हैं।