Nuclear structure functions and EMC effect in a relativistic deuteron

प्रत्येक परमाणु के हृदय के भीतर नाभिक स्थित होता है, जो प्रोटॉन और न्यूट्रॉन का एक छोटा, सघन समूह है। दशकों से, भौतिकविदों ने यह समझा है कि ये कण ठोस, अविभाज्य गोले नहीं हैं, बल्कि क्वार्क्स (quarks) नामक और भी छोटे घटकों से बनी जटिल प्रणालियाँ हैं, जो ग्लूऑन्स (gluons) कहलाने वाले कणों द्वारा ले जाए जाने वाले बल से जुड़ी होती हैं। जब वैज्ञानिक इन नाभिकों में उच्च-गति वाले इलेक्ट्रॉनों को टकराते हैं, तो वे इस बात का मानचित्र बना सकते हैं कि क्वार्क्स और ग्लूऑन्स कैसे गति कर रहे हैं और घूम रहे हैं, जिससे कण की आंतरिक संरचना की एक विस्तृत तस्वीर तैयार होती है। हालाँकि, इन टुकड़ों के आपस में जुड़ने का पूर्ण बोध, विशेष रूप से यह कि कैसे उनके स्पिन मिलकर पूरे कण का स्पिन बनाते हैं, आधुनिक भौतिकी के महान अनसुलझे रहस्यों में से एक बना हुआ है। यह पहेली और भी जटिल हो जाती है जब कण एक नाभिक के भीतर बंधे होते हैं, जहाँ वातावरण उनके व्यवहार को बदल देता है। अध्ययन के लिए सबसे सरल और महत्वपूर्ण परमाणु प्रणालियों में से एक ड्यूटेरॉन (deuteron) है, जो केवल एक प्रोटॉन और एक न्यूट्रॉन से बना नाभिक है। अपनी सरलता के कारण, यह इस बात के परीक्षण के लिए एक आदर्श प्रयोगशाला के रूप में कार्य करता है कि पदार्थ कैसे निर्मित होता है, फिर भी हालिया मापों ने आश्चर्यजनक व्यवहार प्रकट किए हैं जिन्हें मानक सिद्धांत समझाने में संघर्ष करते हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने 'लाइट-फ्रंट डायनेमिक्स' (light-front dynamics) के रूप में जानी जाने वाली भौतिकी की एक विशिष्ट रूपरेखा लागू करके ड्यूटेरॉन पर एक नया दृष्टिकोण अपनाया है। यह दृष्टिकोण वैज्ञानिकों को सापेक्षता के नियमों का सम्मान करते हुए नाभिक के भीतर कणों की गति का वर्णन करने की अनुमति देता है, जो तब आवश्यक होता है जब कण प्रकाश की गति के करीब की गति से चलते हैं। शोधकर्ताओं ने प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के बीच के बल के एक यथार्थवादी विवरण का उपयोग करके ड्यूटेरॉन का एक गणितीय मॉडल बनाया, यह एक ऐसा बल है जिसे कम-ऊर्जा वाले प्रयोगों से मेल खाने के लिए कई वर्षों तक परिष्कृत किया गया है। इस मॉडल का उपयोग करके, उन्होंने गणना की कि जैसे ही ड्यूटेरॉन गति करता है, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन इसकी गति (momentum) को कैसे साझा करते हैं, और यह साझाकरण इस बात पर कैसे बदलता है कि नाभिक विभिन्न दिशाओं में घूम रहा है या नहीं। इसके बाद उन्होंने इन गणनाओं का उपयोग यह भविष्यवाणी करने के लिए किया कि उच्च-ऊर्जा वाले कणों से टकराने पर ड्यूटेरॉन कैसा व्यवहार करेगा, विशेष रूप से तीन अलग-अलग प्रकार के मापों को देखते हुए: जब नाभिक घूम नहीं रहा होता है, जब यह अपनी यात्रा की दिशा में घूम रहा होता है, और जब इसका स्पिन एक विशिष्ट तरीके से संरेखित होता है जो इसके आंतरिक आकार को प्रकट करता है।

इन गणनाओं के परिणामों ने ड्यूटेरॉन की आंतरिक गति की एक स्पष्ट तस्वीर प्रदान की। शोधकर्ताओं ने पाया कि ड्यूटेरॉन के भीतर प्रोटॉन और न्यूट्रॉन लगभग समान रूप से गति साझा करते हैं, जिसमें प्रत्येक लगभग आधा हिस्सा वहन करता है, जो कि ऐसी ढीली तरह से बंधी प्रणाली के लिए अपेक्षित है। जब उन्होंने अपने भविष्यवाणियों की तुलना गैर-घूर्णन और घूर्णन व्यवहार के लिए पिछले प्रयोगों से एकत्र किए गए डेटा से की, तो मिलान काफी अच्छा था। मॉडल ने प्रायोगिक डेटा में देखे गए सामान्य रुझानों को सफलतापूर्वक पुनरुत्पादित किया, जिससे पुष्टि हुई कि प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की गति का सापेक्षतावादी उपचार (relativistic treatment) इन स्थितियों में नाभिक का वर्णन करने का एक विश्वसनीय तरीका है। यह सफलता इस विचार को पुष्ट करती है कि ड्यूटेरॉन को एक साथ चलते हुए न्यूक्लिऑन के जोड़े के रूप में देखने का मानक तरीका इसके बुनियादी ढांचे को समझने के लिए काफी हद तक सही है।

हालाँकि, कहानी तब और जटिल हो जाती है जब शोधकर्ता ड्यूटेरॉन के आकार से संबंधित एक विशिष्ट माप को देखते हैं, जिसे 'टेंसर-पोलराइज्ड स्ट्रक्चर फंक्शन' (tensor-polarized structure function) कहा जाता है। यह माप प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के आंतरिक संरेखण के प्रति संवेदनशील है। शोधकर्ताओं के गणनाओं ने, जो ड्यूटेरॉन को एक साधारण प्रोटॉन-न्यूट्रॉन जोड़े के रूप में देखने के मानक चित्र पर आधारित थे, एक ऐसा मान बताया जो वर्षों पहले किए गए एक प्रमुख प्रयोग में वास्तव में मापे गए मान से काफी छोटा था। मॉडल संकेत के आकार की व्याख्या करने में असमर्थ रहा जो डेटा में देखा गया था। यह विसंगति सुझाव देती है कि ड्यूटेरॉन की सरल तस्वीर में कुछ महत्वपूर्ण गायब है। यह संकेत देता है कि वहाँ अधिक जटिल आंतरिक विन्यास काम कर रहे हो सकते हैं, संभवतः क्वार्क्स के छिपे हुए व्यवस्थाओं के शामिल होने की संभावना है जो मानक प्रोटॉन-न्यूट्रॉन विवरण से परे जाते हैं, या अन्य विलक्षण तंत्र जिन्हें वर्तमान सिद्धांत पूरी तरह से नहीं पकड़ पाते हैं।

टीम ने 'ईएमसी प्रभाव' (EMC effect) नामक एक घटना की भी जांच की, जो यह बताती है कि नाभिक की उपस्थिति उसके प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के भीतर क्वार्क्स के व्यवहार को कैसे बदल देती है। एक मुक्त प्रोटॉन और एक मुक्त न्यूट्रॉन के ज्ञात व्यवहार के साथ अपने गणना किए गए परिणामों की तुलना करके, वे देख सके कि दोनों कणों के बंधने से उनके आंतरिक भागों का वितरण कैसे बदल जाता है। उनकी गणनाओं ने एक पैटर्न दिखाया जो प्रयोगात्मक डेटा के सामान्य आकार से मेल खाता था: मध्य श्रेणी की गति में संकेत की हल्की कमी और बहुत उच्च गति पर वृद्धि। यह व्यवहार उस बंधन ऊर्जा (binding energy) के कारण समझा जाता है जो नाभिक को एक साथ थामे रखती है और इसके भीतर कणों की तीव्र गति के कारण होता है। जबकि समग्र रुझान सही था, उनके मॉडल में कमी शुरू होने का सटीक बिंदु हाल के उच्च-परिशुद्धता प्रयोगों में देखे गए बिंदु से थोड़ा भिन्न था। यह अंतर इंगित करता है कि हालांकि वर्तमान मॉडल मुख्य प्रभावों को पकड़ता है, फिर भी सूक्ष्म विवरणों की आवश्यकता है जिन्हें बेहतर ढंग से समझने की जरूरत है।

अंततः, यह कार्य पुष्टि करता है कि ड्यूटेरॉन का एक सापेक्षतावादी विवरण नाभिकीय संरचना को समझने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है, जो उच्च-ऊर्जा टकरावों में नाभिक कैसे व्यवहार करता है, इसके कई पहलुओं की सफलतापूर्वक व्याख्या करता है। फिर भी, मानक मॉडल की भविष्यवाणी और प्रयोगात्मक डेटा के बीच निरंतर अंतराल टेंसर-पोलराइज्ड सिग्नल के लिए भविष्य के अनुसंधान के लिए एक स्पष्ट संकेत है। यह वैज्ञानिकों को बताता है कि ड्यूटेरॉन में संभवतः सरल दो-कण चित्र से परे रहस्य छिपे हैं, जिनमें शायद क्वार्क्स के बीच जटिल अंतःक्रियाएं शामिल हैं जिन्हें अभी तक पूरी तरह से मैप नहीं किया गया है। जैसे-जैसे दुनिया भर के प्रमुख अनुसंधान केंद्रों में नए प्रयोगों की योजना बनाई जा रही है, ये निष्कर्ष एक महत्वपूर्ण आधार प्रदान करते हैं, जिससे भौतिकविदों को यह जानने में मदद मिलती है कि उन्हें पदार्थ के निर्माण खंडों की समझ को पूरा करने वाली नई भौतिकी को कहाँ खोजना है।