Observation of double production in collision at
BESIII प्रयोग ने पर टकरावों में महत्वपूर्ण डबल- उत्पादन की अवलोकन रिपोर्ट दी है, जिसमें लगभग 40.4% का अनुपात मापा गया है जो डबल- उत्पादन दरों के अनुरूप है और क्वार्क हैड्रोनिज़ेशन (quark hadronization) के संबंध में मौजूदा सैद्धांतिक भविष्यवाणियों को चुनौती देता है।
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दृश्य ब्रह्मांड कैसे बना है, इसे समझने के लिए भौतिकविदों को सबसे मौलिक सामग्रियों की ओर देखना चाहिए: क्वार्क। ये सूक्ष्म, मायावी कण हैं जो प्रकृति में कभी अकेले अस्तित्व में नहीं रहते। इसके बजाय, वे एक शक्तिशाली बल द्वारा एक साथ बंधे होते हैं जिसे 'स्ट्रॉन्ग इंटरैक्शन' (प्रबल अन्योन्यक्रिया) कहा जाता है, जो एक अदृश्य गोंद की तरह कार्य करता है, जिससे वे मजबूर होकर 'हैड्रोन' नामक संयुक्त कणों में गुच्छे बना लेते हैं। बंधन की यह प्रक्रिया, जिसे 'हैड्रोनाइजेशन' (कण निर्माण) कहा जाता है, उन बलों को नियंत्रित करने वाले सिद्धांत—जिसे क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स कहा जाता है—के सबसे जटिल और गणना करने में कठिन पहलुओं में से एक है। हालांकि वैज्ञानिक लंबे समय से यह समझते आए हैं कि क्वार्क और उनके प्रतिद्रव्य (एंटीक्वार्क) के एकल जोड़े कैसे कणों में परिवर्तित होते हैं, लेकिन एक गहरा रहस्य अभी भी बना हुआ है: क्या होता है जब ऐसे दो जोड़े एक ही समय में उत्पन्न होते हैं? क्या वे स्वतंत्र रूप से कणों में बदल जाते हैं, या वे अप्रत्याशित तरीकों से एक-दूसरे को प्रभावित करते हैं? इस प्रश्न का उत्तर देना महत्वपूर्ण है क्योंकि यह शुद्ध ऊर्जा से पदार्थ कैसे बनता है, इसकी हमारी वर्तमान समझ की सीमाओं का परीक्षण करता है।
बीजिंग में इंस्टीट्यूट ऑफ हाई एनर्जी फिजिक्स में BESIII डिटेक्टर का उपयोग करने वाले शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस पहेली को सुलझाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। उन्होंने एक विशिष्ट प्रकार के क्वार्क पर ध्यान केंद्रित किया जिसे 'स्ट्रेंज क्वार्क' कहा जाता है। इलेक्ट्रॉन और उनके प्रतिद्रव्य साथियों, पॉज़िट्रॉन को 3.08 बिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट के एक सटीक ऊर्जा स्तर पर टकराकर, उन्होंने ऐसी स्थितियाँ पैदा कीं जहाँ स्ट्रेंज क्वार्क और एंटीक्वार्क के जोड़े उत्पन्न किए जा सकते थे। शोधकर्ता एक दुर्लभ घटना की तलाश में थे जहाँ ऐसे दो जोड़े एक साथ उत्पन्न होते हैं। इन घटनाओं में, एक जोड़ा 'फाई मेसॉन' (phi meson) नामक कण बनाएगा, जो अनिवार्य रूप से एक स्ट्रेंज क्वार्क और एक स्ट्रेंज एंटीक्वार्क का एक संयुक्त अवस्था है। दूसरा जोड़ा फिर कणों के एक अलग सेट में बदल जाएगा, जैसे कि अन्य मेसॉन या 'केऑन' (kaons) के जोड़े, जो ऐसे कण हैं जिनमें स्ट्रंद क्वार्क भी होते हैं।
टीम ने टकराव के डेटा के एक विशाल संग्रह का विश्लेषण किया, इन विशिष्ट 'डबल-प्रोडक्शन' हस्ताक्षरों को खोजने के लिए लाखों घटनाओं की जांच की। उन्होंने टकरावों से निकलने वाले कणों के पथों को सावधानीपूर्वक पुनर्गठित किया, फाई मेसॉन की पहचान उसके दो आवेशित कणों में क्षय होने से की और शेष मलबे में साथ में मौजूद स्ट्रेंज कणों की खोज की। बैकग्राउंड शोर को हटाकर और ज्ञात भौतिक प्रक्रियाओं को ध्यान में रखते हुए, उन्होंने स्पष्ट प्रमाण पाया कि यह 'डबल-प्रोडक्शन' घटना बार-बार होती है। उन्होंने मापा कि जब एक फाई मेसॉन उत्पन्न होता है, तो 40.4 प्रतिशत संभावना होती है कि उसके साथ दूसरे स्ट्रेंज क्वार्क के जोड़े वाले कणों का एक अन्य सेट भी उत्पन्न होगा। यह परिणाम कोई सैद्धांतिक अनुमान या कंप्यूटर सिमुलेशन नहीं है; यह वास्तविक प्रयोगात्मक डेटा से प्राप्त एक सीधा मापन है।
यह खोज महत्वपूर्ण है क्योंकि यह 'चार्म क्वार्क' के साथ देखी गई एक समान, लंबे समय से चली आ रही रहस्यमय घटना को दर्शाती है, जो स्ट्रेंज क्वार्क की तुलना में बहुत भारी होते हैं। चार्म क्वार्कों के पिछले प्रयोगों ने दिखाया था कि वे मानक सिद्धांतों की भविष्यवाणी की तुलना में कहीं अधिक बार दोहरे जोड़े उत्पन्न करते हैं। स्ट्रेंज क्वार्कों के नए मापन ने दिखाया कि यह "अतिरिक्त" उत्पादन केवल भारी कणों तक सीमित नहीं है, बल्कि यह एक सामान्य विशेषता है कि हैड्रोनाइजेशन के दौरान क्वार्क कैसे व्यवहार करते हैं। तथ्य यह है कि देखा गया दर इतना उच्च है, यह सुझाव देता है कि स्ट्रॉन्ग फोर्स के हमारे वर्तमान गणितीय मॉडल पहेली के एक प्रमुख हिस्से को समझने में चूक कर रहे हैं। डेटा इंगित करता है कि जब क्वार्क जोड़ों में उत्पन्न होते हैं, तो वे केवल यादृच्छिक रूप से बिखरते और कण बनाते नहीं हैं; इसके बजाय, ऐसा प्रतीत होता है कि एक छिपा हुआ सहसंबंध या एक गतिशील तंत्र है जो उन्हें अतिरिक्त जोड़े एक साथ बनाने के लिए प्रोत्साहित करता है।
शोधकर्ताओं को कोई नया एकल कण या प्रकृति का नया बल नहीं मिला। इसके बजाय, उन्होंने एक सटीक संख्या प्रदान की जो मौजूदा सिद्धांतों को चुनौती देती है। यह पुष्टि करके कि डबल स्ट्रेंज-क्वार्क उत्पादन लगभग 40 प्रतिशत की दर से होता है, उन्होंने एक महत्वपूर्ण डेटा बिंदु जोड़ दिया है जिसे भविष्य के स्ट्रॉन्ग फोर्स के किसी भी सिद्धांत को समझाना होगा। यह कार्य हैड्रोनाइजेशन के रहस्य को हल नहीं करता है, लेकिन यह दृढ़ता से स्थापित करता है कि यह घटना वास्तविक और पर्याप्त है। यह भौतिकविदों को 'नॉन-पर्टर्बेटिव रिजीम' (गैर-विक्षोभ क्षेत्र) में क्वार्क की परस्पर क्रिया पर पुनर्विचार करने के लिए मजबूर करता है, जहाँ बल इतने मजबूत होते हैं कि सरल गणनाएँ विफल हो जाती हैं। यह परिणाम सिद्धांतकारों के लिए एक स्पष्ट मार्गदर्शक के रूप में कार्य करता है, जो यह दर्शाता है कि ऊर्जा से पदार्थ बनने के नियम पहले से विश्वास किए गए रूपों की तुलना में अधिक जटिल और परस्पर जुड़े हुए हैं।
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