Heavy-quark spin precession as a magnetic field chronometer

मानव हाथों द्वारा निर्मित अब तक के सबसे हिंसक टकरावों में, जहाँ परमाणु नाभिक लगभग प्रकाश की गति से टकराते हैं, प्रकृति क्षण भर के लिए उन स्थितियों को पुन: उत्पन्न करती है जो बिग बैंग के ठीक बाद अस्तित्व में थीं। ये टकराव 'क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा' नामक पदार्थ की एक अवस्था उत्पन्न करते हैं, जो एक अत्यंत गर्म सूप की तरह है जहाँ प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के निर्माण खंड स्वतंत्र रूप से घूमते हैं। लेकिन ये टकराव कुछ और भी अधिक चरम चीज़ भी पैदा करते हैं: ज्ञात ब्रह्मांड में सबसे शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्र। दशकों से, भौतिकविदों को पता है कि ये क्षेत्र मौजूद हैं, लेकिन एक जिद्दी रहस्य बना हुआ है: वे कितने समय तक चलते हैं? क्या वे टकराने वाले कणों के बिखरते ही एक झटके में गायब हो जाते हैं, या यह गर्म, विद्युत चालक प्लाज्मा उन्हें एक महत्वपूर्ण समय तक जीवित रखता है? इस पहेली को सुलझाना महत्वपूर्ण है क्योंकि इस चुंबकीय क्षेत्र की अवधि यह प्रभावित करती है कि प्लाज्मा कैसे व्यवहार करता है, कण कैसे चलते हैं, और इन चरम वातावरणों में प्रकृति के मौलिक बल कैसे कार्य करते हैं।

एक नया अध्ययन भारी कणों के घूमने (स्पिन) को देखकर इस क्षणिक चुंबकीय क्षेत्र के समय को मापने का एक चतुर तरीका प्रस्तावित करता है। शोधकर्ताओं ने दो प्रकार के भारी क्वार्क्स पर ध्यान केंद्रित किया, जिन्हें 'चार्म' और 'बॉटम' के रूप में जाना जाता है, जो एक टकराव के पहले सेकंड के हिस्से में उत्पन्न होते हैं। हल्के कणों के विपरीत, जो गर्म प्लाज्मा द्वारा लगातार टकराए और बिखेरे जाते हैं, ये भारी क्वार्क्स इतने विशाल और स्थिर होते हैं कि वे माध्यम से गुजरते समय अपने प्रारंभिक स्पिन अभिविन्यास (ओरिएंटेशन) को सुरक्षित रख सकते हैं। टीम ने सुझाव दिया कि यदि चुंबकीय क्षेत्र बना रहता है, तो यह एक ब्रह्मांडीय दिशा-सूचक यंत्र (कॉस्मिक कंपास) की तरह कार्य करता है, जिससे इन आवेशित कणों का स्पिन, उनके चलते समय, धीरे-धीरे घूमता या प्रीसेस (precess) करता है। क्योंकि चार्म और बॉटम क्वार्क्स विपरीत विद्युत आवेश वहन करते हैं, इसलिए यदि चुंबकीय क्षेत्र मौजूद हो, तो वे विपरीत दिशाओं में घूमेंगे। इन क्वार्क्स से बने कणों के अंतिम स्पिन दिशा के अंतर को मापकर, वैज्ञानिक प्रभावी रूप से चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति और अवधि के इतिहास को पढ़ सकेंगे।

इस विचार का परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक भारी-आयन टकराव का विस्तृत सिमुलेशन बनाया, जिसमें क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा के विस्तार और समय के साथ चुंबकीय क्षेत्र के विकास का मॉडल तैयार किया गया। उन्होंने चुंबकीय क्षेत्र के व्यवहार के लिए तीन अलग-अलग परिदृश्यों की खोज की: एक जहाँ यह निर्वात में लगभग तुरंत समाप्त हो जाता है, दूसरा जहाँ यह तेजी से घटता है, और तीसरा जहाँ प्लाज्मा की विद्युत चालकता चुंबकीय क्षेत्र को लंबे समय तक बनाए रखने में मदद करती है। उन्होंने इन वातावरणों के माध्यम से ध्रुवीकृत (polarized) चार्म और बॉटम क्वार्क्स की यात्रा को ट्रैक किया, और यह गणना की कि प्लाज्मा के ठंडा होने और नए कण बनाने से पहले उनके स्पिन में कितना घुमाव आता है। परिणामों ने दिखाया कि यथार्थवादी चुंबकीय क्षेत्र की ताकत के लिए, संचित घुमाव इतना बड़ा है कि उसे मापा जा सके। विशेष रूप से, चार्म क्वार्क्स, जो बॉटम क्वार्क्स की तुलना में हल्के होते हैं, बहुत बड़ा घूर्णन कोण विकसित करते हैं, जिससे वे क्षेत्र की उपस्थिति के प्रति विशेष रूप से संवेदनशील हो जाते हैं।

अध्ययन में पाया गया कि यदि चुंबकीय क्षेत्र कुछ 'फेम्टोसेकंड्स' (समय की एक इकाई) के लिए बना रहता है, तो पदार्थ कणों और उनके प्रति-पदार्थ (antimatter) समकक्षों के बीच स्पिन का अंतर स्पष्ट और मापने योग्य हो जाता है। यह अंतर, जिसे 'चार्ज-डिपेंडेंट पोलराइजेशन स्प्लिटिंग' कहा जाता है, एक अद्वितीय संकेत के रूप में कार्य करता है। क्योंकि घूर्णन सीधे उस कुल समय पर निर्भर करता है जो क्षेत्र मौजूद रहता है, इस स्प्लिटिंग का अवलोकन करना इस बात का सीधा प्रमाण होगा कि चुंबकीय क्षेत्र पर्याप्त समय तक जीवित रहा। इसके विपरीत, यदि ऐसा कोई अंतर नहीं मिलता है, तो यह सुझाव देगा कि क्षेत्र लगभग तुरंत गायब हो गया था। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि यह विधि हल्के कणों को देखने की तुलना में क्षेत्र का अध्ययन करने का एक स्वच्छ तरीका प्रदान करती है, जो प्लाज्मा की स्वयं की घूमती गति जैसे अन्य प्रभावों से आसानी से भ्रमित हो जाते हैं।

निष्कर्ष बताते हैं कि भारी-फ्लेवर पोलराइजेशन, विशेष रूप से चार्म सेक्टर में, चुंबकीय क्षेत्र के जीवन के लिए एक विश्वसनीय घड़ी के रूप में कार्य करता है। सिमुलेशन संकेत देते हैं कि प्रभाव लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर में वर्तमान प्रयोगों में पता लगाने के लिए पर्याप्त मजबूत है। लैम्ब्डा-सी (Lambda-c) और उसके प्रति-पदार्थ साथी जैसे कणों के स्पिन दिशाओं की तुलना करके, भौतिकविद अंततः यह निर्धारित कर पाएंगे कि ये चरम चुंबकीय क्षेत्र कितनी देर तक टिकते हैं। यह दृष्टिकोण भारी क्वार्क को एक निष्क्रिय यात्री से बदलकर टकराव के विद्युत चुम्बकीय इतिहास के एक सक्रिय रिकॉर्डर में बदल देता है, जो क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा की गतिशीलता को समझने के लिए एक नया और सटीक उपकरण प्रदान करता है। लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि इन भारी कणों का भविष्य के माप प्रकृति के सबसे शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्रों के स्पेस-टाइम विकास में एक सीधी खिड़की प्रदान करेंगे।