Spin-spin correlations in $Λ\barΛ$ pair production at the SPD experiment at NICA

उपपरमाणु दुनिया में, कण केवल टकराते और उछलते नहीं हैं; वे एक अंतर्निहित गुण वहन करते हैं जिसे 'स्पिन' कहा जाता है, जो कोणीय संवेग का एक रूप है और एक छोटे आंतरिक दिशा-सूचक यंत्र (कंपास) की तरह व्यवहार करता है। जब दो कण एक ही स्रोत से मिलकर उत्पन्न होते हैं, तो उनके स्पिन इस तरह से आपस में जुड़ सकते हैं जो रोजमर्रा की सहज बुद्धि को चुनौती देता है, जिसे क्वांटम एंटैंगलमेंट (quantum entanglement) के रूप में जाना जाता है। दशकों से, भौतिकविदों ने उच्च-ऊर्जा टकरावों में इन संबंधों का अध्ययन किया है, लेकिन अब एक नया क्षितिज खुला है: यह समझना कि अदृश्य क्वार्क्स के दृश्य पदार्थ में बदलने की अराजक प्रक्रिया के दौरान ये नाजुक क्वांटम संबंध कैसे जीवित रहते हैं। यह संक्रमण, जिसे 'हैड्रोनाइजेशन' (hadronization) कहा जाता है, वह स्थान है जहाँ प्रबल बल (strong force) के मौलिक नियम नियंत्रण लेते हैं, और यहीं पर प्रारंभिक कणों की क्वांटम प्रकृति या तो सुरक्षित रह सकती है या आसपास के वातावरण में खो सकती है। नव-निर्मित कणों के स्पिन एक-दूसरे के साथ कैसे संरेखित होते हैं, इसका मापन करके, वैज्ञानिक इस छिपी हुई प्रक्रिया में झाँक सकते हैं, और यह परीक्षण कर सकते हैं कि क्या क्वांटम यांत्रिकी के अजीब, गैर-स्थानीय (non-local) संबंध तब भी बने रहते हैं जब पदार्थ आकार ले रहा होता है।

रूस के डुबना स्थित जॉइंट इंस्टीट्यूट फॉर न्यूक्लियर रिसर्च के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब आगामी स्पिन फिजिक्स डिटेक्टर (Spin Physics Detector) और NICA कोलाइडर का उपयोग करके इस प्रश्न का पता लगाने के लिए एक विस्तृत योजना प्रस्तावित की है। उनका अध्ययन कणों के एक विशिष्ट जोड़े पर केंद्रित है: लैम्ब्डा (lambda) और एंटी-लैम्ब्डा हाइपरॉन। ये कण अद्वितीय हैं क्योंकि इनमें एक 'स्ट्रेंज क्वार्क' होता है, और उनके क्षय (decay) के पैटर्न एक अंतर्निहित कैमरे की तरह कार्य करते हैं, जो उनके निर्माण के समय उनके स्पिन की दिशा को प्रकट करते हैं। शोधकर्ताओं ने शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग यह भविष्यवाणी करने के लिए किया कि यदि वे 27 बिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट तक की ऊर्जा पर प्रोटॉन और ड्यूटेरॉन को टकराते हैं, तो क्या होगा—यह एक ऐसा रेंज है जो पिछले प्रयोगों की कम ऊर्जाओं और लार्ज हैड्रोन कोलाइडर की अत्यधिक ऊर्जाओं के बीच स्थित है। उन्होंने पाया कि इन मध्यम ऊर्जाओं पर, मूल स्पिन संबंधों को देखने के लिए स्थितियाँ विशेष रूप से अनुकूल हैं क्योंकि टकराव का अराजक "शोर" कम होता है, जिसका अर्थ है कि सिग्नल को पतला करने के लिए कम अतिरिक्त कण उत्पन्न होते हैं।

उनकी जांच का मुख्य केंद्र उन स्ट्रेंज क्वार्क जोड़ों के उद्गम का पता लगाना है जो अंततः इन हाइपरॉन्स में बदल जाते हैं। कुछ मामलों में, ये जोड़े अंतरिक्ष के निर्वात (vacuum) से सीधे उभरते हैं, जबकि अन्य मामलों में, वे उच्च-ऊर्जा ग्लुऑन्स के विभाजन या अन्य क्वार्क्स के टकराव से जन्म लेते हैं। टीम ने कण भौतिकी के स्थापित मॉडलों का उपयोग करके इन विभिन्न उत्पादन तंत्रों का सिमुलेशन किया और पाया कि स्पिन कनेक्शन की ताकत टकराव की ऊर्जा पर बहुत अधिक निर्भर करती है। जैसे-जैसे ऊर्जा गिरती है, लैम्ब्डा हाइपरॉन्स में क्षय होने वाले भारी कणों का योगदान तेजी से घटता है। यह एक महत्वपूर्ण निष्कर्ष है क्योंकि ये भारी क्षय मूल स्पिन जानकारी को बाधित (scramble) करने की प्रवृत्ति रखते हैं। निचली ऊर्जाओं पर ध्यान केंद्रित करके, डिटेक्टर प्रारंभिक क्वांटम अवस्था की एक स्पष्ट तस्वीर देख पाएगा, जो संभवतः दो हाइपरॉन्स के बीच स्पिन सहसंबंध (correlation) को उच्च ऊर्जाओं पर देखे गए संबंध की तुलना में अधिक मजबूत दिखा सकता है।

शोधकर्ताओं ने यह भी जांचा कि दो कणों के बीच की दूरी उनके संबंध को कैसे प्रभावित करती है। बहुत उच्च ऊर्जाओं पर हुए पिछले प्रयोगों में पाया गया था कि जैसे-जैसे कणों के बीच की दूरी बढ़ती है, स्पिन सहसंबंध कमजोर होता जाता है, जिससे पता चलता है कि क्वांटरल लिंक को आसपास के वातावरण द्वारा तोड़ा जा रहा है। नया अध्ययन भविष्यवाणी करता है कि NICA ऊर्जाओं पर, इस प्रभाव को उच्च सटीकता के साथ मापा जा सकता है। सिमुलेशन संकेत देते हैं कि डिटेक्टर कणों के पथों को पर्याप्त सटीकता के साथ पुनर्निर्मित करने में सक्षम है ताकि सीधे उत्पन्न होने वाले और भारी माता-पिता के क्षय से आए कणों के बीच अंतर किया जा सके। वास्तव में, टीम ने गणना की कि डेटा संग्रह के प्रत्येक महीने के लिए, प्रयोग इन विशिष्ट कण जोड़ों के लाखों जोड़े एकत्र कर सकता है, जो एक ऐसा सांख्यिकीय नमूना प्रदान करता है जो स्पिन संरेखण को बड़ी सटीकता के साथ मापने के लिए पर्याप्त बड़ा है।

इस प्रस्ताव का एक महत्वपूर्ण हिस्सा ध्रुवीकृत बीम (polarized beams) का उपयोग करना है, जहाँ टकराने से पहले आने वाले प्रोटॉन या ड्यूटेरॉन के स्पिन को एक विशिष्ट दिशा में संरेखित किया जाता है। यह विशेषता वैज्ञानिकों को यह परीक्षण करने की अनुमति देती है कि क्या कणों के उत्पादन का तरीका बीम के प्रारंभिक ओरिएंटेशन पर निर्भर करता है। यदि बीम ध्रुवीकृत होने पर स्पिन सहसंबंध बदल जाता है, तो यह प्रबल बल से जुड़े विशिष्ट तंत्रों की ओर संकेत करेगा जो इस संरेखण के प्रति संवेदनशील हैं। यदि सहसंबंध अपरिवर्तित रहता है, तो यह सुझाव देगा कि कणों का निर्माण ऐसे तंत्र के माध्यम से हो रहा है जो प्रारंभिक स्पिन दिशा की अनदेखी करता है, जैसे कि निर्वात से सीधा भौतिक प्रकटीकरण (materialization)। यह अंतर समझना महत्वपूर्ण है कि ऊर्जा से पदार्थ कैसे असेंबल किया जाता है, इसके मौलिक नियमों को समझने के लिए।

अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि प्रस्तावित प्रयोग न केवल व्यवहार्य है बल्कि उच्च-ऊर्जा भौतिकी में क्वांटम यांत्रिकी की हमारी समझ के अंतराल को भरने के लिए आवश्यक भी है। इस विशिष्ट प्रकार के मापन के लिए एक अनछुए ऊर्जा रेंज में कार्य करके, स्पिन फिजिक्स डिटेक्टर क्वांटम एंटैंगलमेंट से शास्त्रीय व्यवहार (classical behavior) में संक्रमण को देखने का एक अनूठा अवसर प्रदान करता है। सिमुलेशन दिखाते हैं कि डिटेक्टर का डिज़ाइन आवश्यक डेटा कैप्चर करने के लिए उपयुक्त है, जिसमें पुनर्निर्माण दक्षता (reconstruction efficiencies) स्पिन सहसंबंधों के एक मजबूत विश्लेषण की अनुमति देती है। यदि भविष्यवाणियां सही साबित होती हैं, तो यह प्रयोग इस बात का कड़ा परीक्षण प्रदान करेगा कि हैड्रोनाइजेशन की हिंसक प्रक्रिया में क्वांटम सूचना कैसे जीवित रहती है, जो प्रबल बल की नॉन-पर्टर्बेटिव डायनेमिक्स और सूक्ष्म स्तर पर वास्तविकता की मूल प्रकृति की ओर एक नई खिड़की खोलेगी।