Unexpectedly large violation of isospin symmetry in nucleus-nucleus collisions at CERN SPS energies
CERN SPS में NA61/SHINE प्रयोग ने आइसोसपिन समरूपता (isospin symmetry) के एक अप्रत्याशित रूप से बड़े उल्लंघन की सूचना दी है, जो केंद्रीय Ar+Sc और +C टकरावों में तटस्थ काऑन (neutral kaons) की तुलना में आवेशित काऑन (charged kaons) की अधिकता द्वारा अभिलक्षित है, जो वर्तमान सैद्धांतिक मॉडलों का खंडन करता है और SPS ऊर्जा शासन में एक व्यापक विसंगति का सुझाव देता है।
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पदार्थ के हृदय में, जहाँ प्रोटॉन और न्यूट्रॉन और भी छोटे कणों से बने होते हैं जिन्हें क्वार्क कहा जाता है, प्रकृति एक संतुलन के नियम का पालन करती हुई प्रतीत होती है। दशकों से, भौतिकविदों ने आइसोसपिन समरूपता (isospin symmetry) नामक एक सिद्धांत पर भरोसा किया है, जो यह सुझाव देता है कि अप (up) और डाउन (down) नामक दो सबसे हल्के प्रकार के क्वार्क, उच्च-ऊर्जा टकरावों में उत्पन्न या नष्ट होने के दौरान लगभग समान व्यवहार करते हैं। एक ऐसे तराजू की कल्पना करें जहाँ ब्रह्मांड यह सुनिश्चित करने की कोशिश करता है कि अप क्वार्क से बने कणों की संख्या डाउन क्वार्क से बने कणों के साथ पूरी तरह से मेल खाती रहे। यह संतुलन केवल एक गणितीय जिज्ञासा नहीं है; यह एक मौलिक अपेक्षा है कि ब्रह्मांड ऊर्जा को कणों में परिवर्तित करते समय नया पदार्थ कैसे बनाता है। जब वैज्ञानिक अविश्वसनीय गति से परमाणु नाभिकों को आपस में टकराते हैं, तो वे उम्मीद करते हैं कि नए कणों की परिणामी बौछार इस समरूपता का सम्मान करेगी, जिससे कुछ कणों के आवेशित (charged) और तटस्थ (neutral) संस्करणों का अनुमानित और समान मात्रा में उत्पादन होगा।
हालाँकि, CERN के NA61/SHINE प्रयोग द्वारा हाल ही में की गई एक जाँच ने इस नियम में एक चौंकाने वाली दरार को उजागर किया है। विशिष्ट उच्च ऊर्जाओं पर आर्गन और स्कैंडियम नाभिकों को टकराकर, शोधकर्ताओं ने एक महत्वपूर्ण और अप्रत्याशित असंतुलन देखा। अपेक्षित पूर्ण मिलान के बजाय, इन टकरावों ने तटस्थ कणों की तुलना में बहुत अधिक आवेशित कणों का उत्पादन किया। यह विसंगति एक मामूली उतार-चढ़ाव नहीं है, बल्कि उस समरूपता का एक बड़ा उल्लंघन है जिस पर भौतिकविदों ने वर्षों से भरोसा किया है। यह खोज पदार्थ के निर्माण के बारे में वर्तमान समझ को चुनौती देती है, जो यह सुझाव देती है कि यहाँ कुछ छिपे हुए बल या तंत्र काम कर रहे हैं जिनके लिए हमारे सर्वोत्तम सिद्धांत अभी तक विचार नहीं कर पाए हैं।
यह प्रयोग CERN SPS पर हुआ था, जो एक विशाल त्वरक (accelerator) है जो कणों की किरणों को एक निश्चित लक्ष्य में दागता है। टीम ने आर्गन और स्कैंडियम नाभिकों के बीच सबसे हिंसक, आमने-सामने के टकरावों पर ध्यान केंद्रित किया, जिसे एक ऐसा तंत्र चुना गया था जो अपनी संरचना में लगभग पूरी तरह से संतुलित है, जिससे यह समरूपता का परीक्षण करने के लिए एक आदर्श प्रयोगशाला बन जाता है। एक परिष्कृत डिटेक्टर का उपयोग करते हुए जो कणों के पथ और ऊर्जा को ट्रैक करता है, वैज्ञानिकों ने इन टकरावों में उत्पन्न आवेशित केऑन्स (kaons) की संख्या गिनी और उनकी तुलना तटस्थ केऑन्स की संख्या से की। यदि दुनिया पूर्ण आइसोसपिन समरूपता द्वारा शासित होती, तो ये दोनों समूह समान होने चाहिए थे। इसके विपरीत, डेटा से पता चला कि आवेशित केऑन्स की संख्या तटस्थों की तुलना में अठारह प्रतिशत के अंतर से अधिक थी, जिसमें छह प्रतिशत की संभावित त्रुटि सीमा शामिल थी। इसका अर्थ यह है कि प्रत्येक एकल केंद्रीय टकराव के लिए, प्रयोग ने लगभग चार अतिरिक्त आवेशित केऑन्स का उत्पादन किया जिसकी मानक भौतिक मॉडल ने भविष्यवाणी भी नहीं की थी।
यह परिणाम कोई अलग-थलग घटना नहीं है। जब शोधकर्ताओं ने कम-ऊर्जा वाले सेटअप से लेकर वर्तमान तकनीक की सीमाओं के करीब पहुँचने वाले प्रयोगों तक, ऊर्जाओं की एक विस्तृत श्रृंखला में अन्य प्रयोगों के डेटा के साथ अपने निष्कर्षों की तुलना की, तो एक सुसंगत पैटर्न सामने आया। आवेशित कणों की यह अधिकता ऊर्जाओं के एक व्यापक स्पेक्ट्रम में दिखाई दी, जो निम्न स्तर से लेकर दो सौ अरब इलेक्ट्रॉन वोल्ट तक फैली हुई है। जबकि आज उपलब्ध उच्चतम ऊर्जाओं पर माप अपेक्षित संतुलन के करीब एक अनुपात दिखाते हैं, उन मापों में अनिश्चितता अभी भी इतनी बड़ी है कि किसी ठोस निष्कर्ष पर नहीं पहुँचा जा सकता। इस असंतुलन का सबसे मजबूत और स्पष्ट प्रमाण उस ऊर्जा सीमा में मौजूद है जहाँ NA61/SHINE प्रयोग संचालित होता है, जो यह सुझाव देता है कि यह उल्लंघन कण उत्पादन का एक वास्तविक और निरंतर विशेषता है।
यह खोज विशेष रूप से पहेली बनाने वाली है क्योंकि इन टकरावों का अनुकरण करने वाले मानक उपकरण इस परिणाम को दोहराने में विफल रहते हैं। वे सैद्धांतिक मॉडल जिन्होंने समरूपता के ज्ञात स्रोतों को ध्यान में रखते हुए अनगिनत अन्य भौतिक पहलुओं का सफलतापूर्वक वर्णन किया है, वे एक के करीब अनुपात की भविष्यवाणी करते हैं। वे इस बात की व्याख्या नहीं कर सकते कि ब्रह्मांड अचानक इन विशिष्ट टकरावों में तटस्थ क्वार्क के बजाय आवेशित कणों के निर्माण को क्यों प्राथमिकता देगा। मॉडलों को डेटा के अनुरूप बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को अप और डाउन क्वार्क के निर्माण में एक विशाल असंतुलन को कृत्रिम रूप से पेश करना होगा, जो एक ऐसा परिवर्तन है जिसका कोई स्पष्ट भौतिक औचित्य नहीं है। मॉडलों और डिटेक्टरों द्वारा देखे गए डेटा के बीच यह अंतर इंगित करता है कि 'स्ट्रॉन्ग फोर्स' (strong force) के बारे में हमारी वर्तमान समझ अधूरी है।
यह रहस्य छोटे सिस्टमों को देखने पर और गहरा हो जाता है। उसी प्रयोग ने कार्बन नाभिकों से टकराने वाले एकल प्रोटॉन और पायोन (pions) के टकरावों का भी अध्ययन किया। प्रोटॉन के मामले में, आवेशित कणों की अधिकता इस तथ्य से समझी जा सकती है कि प्रोटॉन में स्वाभाविक रूप से डाउन क्वार्क की तुलना में अधिक अप क्वार्क होते हैं, जो एक ज्ञात असंतुलन है जो परिणामों को प्रभावित करता है। हालाँकि, जब पायोन (जो विभिन्न प्रकार के कण हैं) को कार्बन से टकराया गया, तब भी मॉडलों ने एक संतुलित परिणाम की भविष्यवाणी की, फिर भी प्रयोग में फिर से आवेशित कणों की अधिकता पाई गई। यह सुझाव देता है कि उल्लंघन केवल शुरुआती सामग्रियों का सरल परिणाम नहीं है, बल्कि यह इन अंतःक्रियाओं में कणों के निर्माण की एक मौलिक विशेषता हो सकती है, चाहे टकराने वाला सिस्टम कितना भी छोटा क्यों न हो।
इस खोज के निहितार्थ ब्रह्मांड के बारे में हमारी समझ के लिए महत्वपूर्ण हैं। यदि आइसोसपिन समरूपता उस तरह से टूटती है जिसकी वर्तमान थ्योरी व्याख्या नहीं कर सकती, तो यह हमें ऊर्जा से पदार्थ के निर्माण के मॉडल का पुनर्मूल्यांकन करने के लिए मजबूर करती है। NA61/SHINE सहयोग अब यह मानचित्रण करने के लिए आगे के अध्ययन करने की योजना बना रहा है कि यह प्रभाव टकराने वाले नाभिकों के आकार और टकराव की ऊर्जा के साथ कैसे बदलता है। वे कार्बन और ऑक्सीजन जैसे हल्के, पूरी तरह से संतुलित नाभिकों को टकराने की योजना बना रहे हैं ताकि यह देखा जा सके कि क्या प्रभाव गायब हो जाता है जब शुरुआती स्थितियाँ वास्तव में सममित होती हैं। जब तक कोई सैद्धांतिक स्पष्टीकरण नहीं मिल जाता जो आवेशित कणों के इस अप्रत्याशित अधिशेष को समझा सके, तब तक आइसोसपिन समरूपता का उल्लंघन आधुनिक परमाणु भौतिकी के सबसे दिलचस्प और अनसुलझे रहस्यों में से एक बना हुआ है, जो यह प्रकट करने के लिए अगली सफलता की प्रतीक्षा कर रहा है कि प्रकृति ने तराजू को झुकाने के लिए क्यों चुना।
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