Elliptic flow in an expanding and rotating fireball
यह शोध पत्र एक साथ फैलते और घूमते हुए फायरबॉल (fireball) को मॉडल करके यह जांच करता है कि प्रारंभिक कक्षीय कोणीय संवेग (orbital angular momentum) ऑफ-सेंट्रल भारी-आयन टकरावों में एलिप्टिक फ्लो (elliptic flow) को कैसे प्रभावित करता है, जिसमें यह पाया गया है कि हालांकि केवल घूर्णन पर्याप्त नहीं है, लेकिन अनिसोट्रोपिक विस्तार और घूर्णन का संयोजन टकराव की ऊर्जा के आधार पर एलिप्टिक फ्लो को 2-10% तक बढ़ा देता है।
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जब भारी परमाणु नाभिक लगभग प्रकाश की गति से एक-दूसरे से टकराते हैं, तो वे कणों के एक क्षणभंगुर, अत्यंत गर्म सूप जैसा निर्माण करते हैं जिसे क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा कहा जाता है। पदार्थ की यह अवस्था बिग बैंग के केवल कुछ माइक्रोसेकंड बाद अस्तित्व में थी, और भौतिक विज्ञानी इसे समझने के लिए इसका अध्ययन करते हैं कि ब्रह्मांड ने आधार से ऊपर की ओर अपना निर्माण कैसे किया। सबसे शक्तिशाली टक्करों में, वैज्ञानिक बीमों को बिल्कुल सामने से नहीं टकराते; वे अक्सर थोड़ा चूक जाते हैं, जिससे नाभिक एक-दूसरे के पास से रगड़ खाते हुए निकल जाते हैं। यह हल्का सा स्पर्श एक विशाल स्पिन, या कक्षीय कोणीय संवेग (ऑर्बिटल एंगुलर मोमेंटम) पैदा करता है, ठीक वैसे ही जैसे एक फिगर स्केटर अपने हाथ अंदर खींचने पर तेजी से घूमने लगता है, हालांकि यहाँ स्पिन टक्कर की ज्यामिति (जियोमेट्री) द्वारा उत्पन्न होती है। यह स्पिन इस गर्म सूप में समाहित हो जाती है, जिससे पदार्थ का यह पूरा गोलाकार पिंड (फायरबॉल) विस्तार और ठंडा होने के दौरान घूमता है। दशकों तक, शोधकर्ताओं ने इस बात पर ध्यान केंद्रित किया है कि यह घूमता हुआ पदार्थ व्यक्तिगत कणों को कैसे ध्रुवीकृत (पोलराइज) करता है, लेकिन अब एक नया प्रश्न उभरा है: क्या यह घूर्णन कणों के अलग होने के तरीके को भी बदल देता है, विशेष रूप से उनके एक पूर्ण वृत्त के बजाय एक अंडाकार आकार में फैलने की प्रवृत्ति को?
भारतीय प्रौद्योगिकी संस्थान भिलाई के भौतिकविदों की एक टीम ने इस समस्या पर एक नया गणितीय मॉडल बनाकर एक ताज़ा दृष्टिकोण अपनाया है। धमाके के फैलते हुए फायरबॉल को एक साधारण, बिना घूमते हुए गुब्बारे के रूप में मानने के बजाय, उन्होंने एक ऐसा मॉडल बनाया जहाँ फायरबॉल एक साथ फैलता भी है और घूमता भी है। उन्होंने घूमते हुए फायरबॉल के दो अलग-अलग आकारों का परीक्षण किया: एक पूर्ण गोला और एक चपटा, अंडे जैसा आकार जिसे स्फेरॉइड (spheroid) कहा जाता है। प्रत्येक आकार के भीतर, उन्होंने दो तरीकों का अनुकरण (सिमुलेशन) किया कि स्पिन कैसे व्यवहार कर सकती है: या तो पूरा फायरबॉल एक ही गति से घूमता है, या अलग-अलग परतें अलग-अलग गति से घूमती हैं, ठीक वैसे ही जैसे किसी ग्रह का वायुमंडल ध्रुवों की तुलना में भूमध्य रेखा पर अधिक तेजी से घूम सकता है। इन सिमुलेशन को घूर्णन की वास्तविक गति के मानों के साथ चलाकर, वे सटीक रूप से गणना कर सके कि कणों का वितरण कैसा होगा जब वह फायरबॉल अंततः पदार्थ की ठोस अवस्था में जम जाएगा।
शोधकर्ताओं ने पाया कि फायरबॉल का घूर्णन कणों के अंतिम पैटर्न पर एक विशिष्ट और मापने योग्य प्रभाव डालता है, हालांकि इस प्रभाव का आकार फायरबॉल के आकार और टक्कर की ऊर्जा पर बहुत अधिक निर्भर करता है। जब उन्होंने एक पूर्णतः गोलाकार फायरबॉल का मॉडल बनाया जो केवल घूम रहा था और असमान रूप से फैल नहीं रहा था, तो घूर्णन ने कण प्रवाह में एक हल्का अंडाकार पैटर्न बनाया। हालांकि, इस पैटर्न की ताकत वास्तविक दुनिया में देखे गए प्रयोगों से मेल खाने के लिए बहुत कमजोर थी। यह सुझाव देता है कि केवल एक घूमता हुआ गोला डेटा की व्याख्या नहीं कर सकता; विस्फोट का आकार स्वयं असमान होना चाहिए।
इसके विपरीत, जब टीम ने एक चपटे, स्फेरॉइडल फायरबॉल का मॉडल बनाया जो असमान रूप से फैल भी रहा था और घूम भी रहा था, तो परिणाम नाटकीय रूप से बदल गए। असमान विस्तार और घूर्णन के संयोजन ने मिलकर कण प्रवाह के अंडाकार पैटर्न को बढ़ावा दिया। कम टक्कर ऊर्जाओं पर, जो 7.7 बिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट के अनुरूप हैं, घूर्णन ने उसी फायरबॉल के गैर-घूर्णन संस्करण की तुलना में अंडाकार प्रवाह की ताकत में लगभग दस प्रतिशत की वृद्धि की। जैसे ही टक्कर की ऊर्जा बढ़कर 39 बिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट हुई, घूर्णन से मिलने वाला यह अतिरिक्त उछाल घटकर लगभग दो प्रतिशत रह गया। यह इंगित करता है कि फायरबॉल का स्पिन कणों के छिड़काव के अंतिम आकार में एक वास्तविक, भौतिक योगदानकर्ता है, लेकिन यह मुख्य चालक नहीं है। प्राथमिक कारण अभी भी फायरबॉल का असमान विस्तार बना हुआ है, जबकि घूर्णन एक महत्वपूर्ण, उपेक्षा न करने योग्य सुधार प्रदान करता है जो कम ऊर्जा पर अधिक महत्वपूर्ण हो जाता है।
अध्ययन ने यह भी देखा कि यह प्रभाव पायोन (pions), केऑन (kaons) और प्रोटॉन जैसे विभिन्न प्रकार के कणों के लिए कैसे भिन्न होता है। सिमुलेशन ने दिखाया कि घूर्णन के कारण अंडाकार प्रवाह में प्रतिशत वृद्धि सभी कणों के लिए लगभग समान थी, चाहे उनका द्रव्यमान कुछ भी हो। यह निरंतरता इस बात की पुष्टि करने में मदद करती है कि यह प्रभाव एक विशिष्ट कण प्रकार की विशेषता के बजाय फायरबॉल की सामूहिक गति का गुण है। शोधकर्ताओं ने परिवहन सिमुलेशन (ट्रांसपोर्ट सिमुलेशन) के डेटा का उपयोग करके उस क्षण घूर्णन की गति का अनुमान लगाने के लिए किया जब फायरबॉल परस्पर क्रिया करना बंद कर देता है, जिसमें पाया गया कि स्पिन कम टक्कर ऊर्जाओं पर सबसे मजबूत होती है। यह उनके इस निष्कर्ष के अनुरूप है कि घूर्णन का प्रवाह में योगदान उन निचली ऊर्जाओं पर सबसे अधिक दृश्यमान होता है।
अंततः, यह कार्य एक स्पष्ट तस्वीर प्रदान करता है कि भारी-आयन टक्कर का प्रारंभिक स्पिन अंतिम मलबे पर अपना निशान कैसे छोड़ता है। आकार और स्पिन के प्रभावों को अलग करके, लेखकों ने प्रदर्शित किया कि जबकि फायरबॉल का असमान विस्तार कण प्रवाह को आकार देने वाला प्रमुख बल है, प्रारंभिक कक्षीय कोणीय संवेग केवल एक दर्शक नहीं है। यह सक्रिय रूप से भाग लेता है, और कणों के व्यवहार के तरीके में एक मापने योग्य जटिलता जोड़ता है। निष्कर्ष बताते हैं कि इन ब्रह्मांडीय पैमाने की टक्करों की गतिशीलता को पूरी तरह से समझने के लिए, वैज्ञानिकों को विस्फोट के आकार और फायरबॉल के स्पिन दोनों को ध्यान में रखना चाहिए, और उन्हें ऐसे पूरक बलों के रूप में मानना चाहिए जो मिलकर अंतिम परिणाम को निर्धारित करते हैं।
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