Parton distribution functions of the proton in a hot isospin-asymmetric nuclear medium and finite nuclei
यह शोध पत्र एक डायक्वर्क स्पेक्टेटर मॉडल (diquark spectator model) को चिरल SU(3) क्वार्क मीन फील्ड दृष्टिकोण के साथ जोड़कर, गर्म, आइसोसपिन-असममित परमाणु पदार्थ और परिमित नाभिकों के भीतर एक प्रोटॉन के अनपोलराइज्ड (unpolarized), हेलिसिटी (helicity), और ट्रांसवर्सिटी (transversity) पार्टन वितरणों में संशोधनों की गणना करता है, जो यह प्रकट करता है कि स्पिन-निर्भर वितरण अनपोलराइज्ड वितरणों की तुलना में अधिक दृढ़ता से परिवर्तित होते हैं और परिमित नाभिकों में अक्षीय आवेश (axial charge) के परिवर्तन द्रव्यमान संख्या के बजाय केंद्रीय घनत्व के साथ सह-संबंधित होते हैं।
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प्रत्येक परमाणु के भीतर, नाभिक प्रोटॉन और न्यूट्रॉन का एक भीड़भाड़ वाला कमरा है, जो ऐसे बलों से बंधा हुआ है जो इतने शक्तिशाली हैं कि वे हमारी रोजमर्रा की सहज बुद्धि को चुनौती देते हैं। लेकिन ये प्रोटॉन और न्यूट्रॉन ठोस, अविभाज्य मार्बल नहीं हैं; वे क्वार्क नामक और भी छोटे कणों से बनी जटिल प्रणालियाँ हैं। अंतरिक्ष में अकेले तैरते एक मुक्त प्रोटॉन में, ये क्वार्क एक निश्चित लय और वितरण के साथ चलते हैं, जो ऊर्जा और स्पिन की विशिष्ट मात्रा वहन करते हैं। हालाँकि, जब एक प्रोटॉन नाभिक के भीतर फँसा होता है, अपने पड़ोसियों द्वारा दबाया जाता है, तो वातावरण बदल जाता है। वह प्रश्न जिसने दशकों से भौतिकविदों को उलझा रखा है, वह यह है कि क्या यह भीड़भाड़ वाला वातावरण स्वयं प्रोटॉन की आंतरिक संरचना को बदल देता है। क्या बंधे होने पर प्रोटॉन का "व्यक्तित्व" बदल जाता है, या यह बिल्कुल वैसा ही रहता है जैसा वह अलगाव में है? यह रहस्य ईएमसी प्रभाव (EMC effect) के रूप में जाना जाता है, जिसका नाम यूरोपीय म्यूऑन कोलैबोरेशन (European Muon Collaboration) के नाम पर रखा गया है, जिन्होंने सबसे पहले इस अजीब विसंगति को देखा था कि इलेक्ट्रॉन हल्के तत्वों की तुलना में लोहे से कैसे बिखरते हैं।
इसका उत्तर देने के लिए, भारत के शोधकर्ताओं की एक टीम ने चरम स्थितियों के तहत प्रोटॉन के आंतरिक परिदृश्य का मानचित्र बनाने का लक्ष्य रखा। उन्होंने तीन विशिष्ट तरीकों पर ध्यान केंद्रित किया जिनसे प्रोटॉन के भीतर क्वार्क व्यवस्थित हो सकते हैं: उनकी गति द्वारा उनका वितरण, प्रोटॉन की गति की दिशा में उनका स्पिन, और उनका पार्श्व (sideways) स्पिन। ये वे मौलिक गुण हैं जो प्रोटॉन की पहचान को परिभाषित करते हैं। शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि जब प्रोटॉन को एक "गर्म" और "असममित" परमाणु माध्यम में रखा जाता है, तो ये गुण कैसे बदलते हैं। इस संदर्भ में, "गर्म" का अर्थ है कि वातावरण में उच्च तापमान है, जो बिग बैंग के ठीक बाद या टकराते हुए भारी आयनों के भीतर पाई जाने वाली स्थितियों के समान है, जबकि "असममित" का तात्पर्य एक मिश्रण से है जहाँ प्रोटॉन की तुलना में न्यूट्रॉन की संख्या काफी अधिक है, जो भारी परमाणु नाभिकों के घने केंद्रों में एक सामान्य अवस्था है।
टीम ने इस वातावरण का अनुकरण करने के लिए एक परिष्कृत सैद्धांतिक ढांचे का उपयोग किया। प्रत्येक एकल परस्पर क्रिया के असंभव गणित को हल करने का प्रयास करने के बजाय, उन्होंने प्रोटॉन को एक केंद्रीय क्वार्क के रूप में मॉडल किया जो अन्य दो क्वार्कों की एक जोड़ी की निगरानी करता है, जिसे 'डायक्वर्क' (diquark) कहा जाता है, जो एक दर्शक (spectator) के रूप में कार्य करता है। फिर उन्होंने गणना की कि जब ये कण एक घने परमाणु सूप में डूबे होते हैं, तो इन कणों के द्रव्यमान में कैसे परिवर्तन होता है। खाली स्थान के निर्वात में, इन कणों का द्रव्यमान स्थिर होता है, लेकिन नाभिक के भीतर, उनके आसपास के तीव्र क्षेत्र प्रभावी रूप से उन्हें हल्का बना देते हैं। शोधकर्ताओं ने इन नए, हल्के द्रव्यमानों को अपने मॉडल में डाला ताकि यह देखा जा सके कि क्वार्क खुद को कैसे पुनर्व्यवस्थित करते हैं। उन्होंने खाली स्थान से लेकर परमाणु नाभिक के केंद्र में पाई जाने वाली संतृप्ति घनत्व (saturation density) तक, विभिन्न घनत्वों के लिए ये सिमुलेशन चलाए, और शून्य तथा बहुत उच्च 0.1 GeV के तापमान पर।
परिणामों ने एक स्पष्ट और सुसंगत पैटर्न का खुलासा किया। जैसे-जैसे परिवेशी परमाणु पदार्थ का घनत्व बढ़ता गया, प्रोटॉन के भीतर के क्वार्क अलग तरह से व्यवहार करने लगे। सबसे उल्लेखनीय परिवर्तन उनके संवेग (momentum) के वितरण में था। एक मुक्त प्रोटॉन में, क्वार्क एक विशिष्ट, मध्यम गति के आसपास क्लस्टर बनाते हैं। लेकिन जैसे ही प्रोटॉन को दबाया जाता है, यह क्लस्टर सपाट हो जाता है और स्थानांतरित हो जाता है। वितरण का शिखर उच्च गतियों की ओर बढ़ जाता है, जिसका अर्थ है कि क्वार्क, औसतन, प्रोटॉन के कुल संवेग का एक बड़ा हिस्सा वहन कर रहे हैं। यह बदलाव उन तीनों प्रकार के वितरणों के लिए हुआ जिनका टीम ने अध्ययन किया था, लेकिन प्रभाव एकसमान नहीं था। सबसे नाटकीय परिवर्तन क्वार्कों के पार्श्व स्पिन (जिसे ट्रांसवर्सिटी कहा जाता है) और फॉरवर्ड स्पिन (जिसे हेलिसिटी कहा जाता है) के लिए हुआ। केवल गति के आधार पर क्वार्कों का वितरण सबसे कम बदला। यह सुझाव देता है कि प्रोटॉन की आंतरिक स्पिन संरचना इसकी बुनियादी गति संरचना की तुलना में अपने वातावरण के प्रति कहीं अधिक संवेदनशील है।
शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि तापमान और प्रोटॉन एवं न्यूट्रॉन के बीच असंतुलन ने परिणामों को कैसे प्रभावित किया। उन्होंने पाया कि हालांकि गर्मी का प्रभाव पड़ता है, लेकिन परमाणु पदार्थ का घनत्व ही सबसे महत्वपूर्ण परिवर्तनों को संचालित करता है। तापमान में वृद्धि थोड़ी बहुत प्रभाव डालती है और क्वार्क वितरण को उनके मूल, निर्वात जैसे स्वरूप की ओर वापस धकेलती है, लेकिन घनत्व ही प्रमुख बल बना रहता है। जब उन्होंने एक संतुलित परमाणु वातावरण और अतिरिक्त न्यूट्रॉनों से भरे वातावरण के बीच अंतर को देखा, तो परिवर्तन मौजूद थे लेकिन वे घनत्व या गर्मी द्वारा उत्पन्न परिवर्तनों की तुलना में बहुत छोटे थे। क्वार्क ने अपने पड़ोसियों के विशिष्ट मिश्रण के बजाय भीड़ के शुद्ध दबाव के प्रति सबसे प्रबल प्रतिक्रिया दी।
अपने निष्कर्षों को वास्तविक दुनिया के लिए प्रासंगिक बनाने के लिए, टीम ने चार विशिष्ट, भारी परमाणु नाभिकों: कैल्शियम, लोहा, सोना और सीसा पर अपने गणनाओं को लागू किया। उन्होंने एक ऐसा मॉडल उपयोग किया जो नाभिक के केंद्र से उसके किनारे तक घनत्व में भिन्नता को ध्यान में रखता है। इन भारी परमाणुओं के केंद्र में, घनत्व उच्चतम होता है, और प्रोटॉन की आंतरिक संरचना सबसे अधिक संशोधित होती है। दिलचस्प बात यह है कि उन्होंने पाया कि संशोधन नाभिक के केंद्र में स्थानीय घनत्व पर निर्भर करता है, न कि केवल इस पर कि नाभक कितना भारी है। उदाहरण के लिए, सीसा के केंद्र में स्थित प्रोटॉन, जिसमें कैल्शियम नाभिक की तुलना में कम केंद्रीय घनत्व है, ने उस डिग्री से भिन्न संशोधन दिखाया जिसकी उम्मीद केवल कणों की कुल संख्या के आधार पर की जा सकती थी। यह सुझाव देता है कि "दबाव" का प्रभाव एक स्थानीय घटना है, जो प्रोटॉन के तत्काल पड़ोस द्वारा निर्धारित होती है।
अध्ययन ने प्रोटॉन के स्पिन और संरचना का वर्णन करने वाले विशिष्ट नंबरों की भी गणना की, जिन्हें 'चार्ज' (charges) कहा जाता है। एक मुक्त प्रोटॉन में, अक्षीय चार्ज (axial charge), जो क्वार्कों के कुल स्पिन योगदान को मापता है, 1.28 का मान है। संतृप्ति घनत्व पर घने परमाणु माध्यम में, यह मान काफी गिरकर 0.844 हो जाता है। यह पुष्टि करता है कि एक बंधे हुए प्रोटॉन के भीतर क्वार्क, मुक्त प्रोटॉन की तुलना में प्रोटॉन के समग्र स्पिन में कम योगदान देते हैं। टेंसर चार्ज (tensor charge), जो पार्श्व स्पिन से संबंधित है, भी बदल गया, जिसमें अप (up) क्वार्क का योगदान कम हुआ और डाउन (down) क्वार्क का योगदान परिमाण में बढ़ा। ये बदलाव मात्रात्मक चित्र प्रदान करते हैं कि कैसे प्रोटॉन की आंतरिक मशीनरी को परमाणु वातावरण द्वारा पुनर्गठित किया जाता है।
अंततः, यह कार्य इस बात का विस्तृत मानचित्र प्रदान करता है कि पदार्थ के मौलिक निर्माण खंड अपने परिवेश के अनुकूल कैसे होते हैं। यह दिखाता है कि प्रोटॉन एक स्थिर वस्तु नहीं है जिसकी आंतरिक संरचना निश्चित है; बल्कि, यह एक गतिशील प्रणाली है जो अपने वातावरण के दबाव और तापमान के जवाब में खुद को नया आकार देती है। निष्कर्ष बताते हैं कि भारी नाभिकों में देखे गए परिवर्तन मुख्य रूप से परमाणु पदार्थ के घनत्व द्वारा संचालित होते हैं, जो क्वार्कों के प्रभावी द्रव्यमान और फलस्वरूप, उनके संवेग और स्पिन के वितरण को बदल देता है। हालांकि यह अध्ययन प्रत्यक्ष माप के बजाय सैद्धांतिक सिमुलेशन पर निर्भर करता है, यह एक सुसंगत स्पष्टीकरण प्रदान करता है कि क्यों बंधे हुए न्यूक्लिऑन की आंतरिक संरचना मुक्त न्यूक्लिऑन से भिन्न होती है, जो एक ऐसे भविष्य की ओर संकेत करता है जहाँ घनत्व, तापमान और स्पिन के बीच के अंतर्संबंध को परमाणु भौतिकी की जटिल दुनिया में पूरी तरह से समझा जा सकेगा।
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