"Inevitable'' nonstrange tetraquark states and $\rho\rho$ interaction

ब्रह्मांड मूलभूत कणों के एक छोटे से समूह से बना है, लेकिन जब ये कण आपस में जुड़ते हैं, तो वे एक समृद्ध और अक्सर आश्चर्यजनक विविधता वाली संरचनाएं बनाते हैं। हमारे चारों ओर का अधिकांश पदार्थ, जिसे हम सांस लेने वाली हवा से लेकर ऊपर सितारों तक देखते हैं, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन से बना है। ये परिचित निर्माण खंड स्वयं तीन छोटे कणों से बने होते हैं जिन्हें क्वार्क कहा जाता है। दशकों से, भौतिकविदों ने समझा है कि ये क्वार्क प्रोटॉन और न्यूट्रॉन बनाने के लिए कैसे एक साथ चिपकते हैं, लेकिन उन्होंने लंबे समय से यह भी संदेह किया है कि क्वार्क अन्य, अधिक विलक्षण (exotic) तरीकों से भी खुद को व्यवस्थित कर सकते हैं। ऐसा एक संभावित रूप टेट्राक्वर्क (tetraquark) है, जो एक एकल इकाई में बंधे चार क्वार्कों से बना कण है। जबकि भौतिकी का मानक मॉडल इन संरचनाओं की अनुमति देता है, प्रकृति में उन्हें खोजना एक चुनौती रहा है। वैज्ञानिकों ने हाल ही में कई उम्मीदवार खोजे हैं, जिनमें ज्यादातर भारी क्वार्क शामिल हैं, लेकिन पूरी तरह से हल्के क्वार्कों से बने टेट्राक्वर्क का अस्तित्व गहन बहस का विषय बना हुआ है। हल्के, चार-क्वार्क अवस्थाओं को समझना महत्वपूर्ण है क्योंकि वे यह प्रकट कर सकते हैं कि 'स्ट्रॉन्ग फोर्स' (strong force), वह गोंद जो पदार्थ को थामे रखता है, चरम स्थितियों में कैसे कार्य करता है।

हाल ही में एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट प्रकार के हल्के टेट्राक्वर्क की जांच करने का प्रयास किया जो शायद हमारी आंखों के सामने ही छिपा हुआ हो सकता है। उन्होंने दो कणों पर ध्यान केंद्रित किया जिन्हें रो मेसॉन (rho mesons) कहा जाता है। रो मेसॉन अल्पकालिक कण हैं जो लगभग तुरंत क्षय (decay) हो जाते हैं, जिससे उनका सीधे अध्ययन करना कठिन हो जाता है। हालांकि, सैद्धांतिक मॉडल सुझाव देते हैं कि यदि दो रो मेसॉन एक-दूसरे के पर्याप्त करीब आते हैं, तो वे एक स्थिर, चार-क्वार्क कण बनाने के लिए एक साथ जुड़ सकते हैं। चीन में नानजिंग नॉर्मल यूनिवर्सिटी में काम करने वाली टीम ने 'क्वार्क डेलोकलाइजेशन कलर स्क्रीनिंग मॉडल' (quark delocalization color screening model) नामक एक परिष्कृत कंप्यूटर मॉडल का उपयोग करके दो रो मेसॉन के बीच की अंतःक्रिया का अनुकरण (simulate) किया। यह मॉडल वैज्ञानिकों को यह गणना करने की अनुमति देता है कि जब दो कण एक-दूसरे के करीब आते हैं तो क्वार्क कैसे चलते हैं और परस्पर क्रिया करते हैं, जिसमें उन जटिल बलों को भी ध्यान में रखा जाता है जो उनके व्यवहार को नियंत्रित करते हैं। इन सिमुलेशन को चलाकर, शोधकर्ता यह निर्धारित कर सके कि दो रो मेसॉन एक-दूसरे को प्रतिकर्षित करेंगे, पास से गुजर जाएंगे, या एक नए, स्थिर अवस्था में बंध जाएंगे।

सिमुलेशन के परिणाम चौंकाने वाले थे। शोधकर्ताओं ने पाया कि दो रो मेसॉन वास्तव में एक-दूसरे को इतना मजबूती से आकर्षित करते हैं कि वे एक बद्ध अवस्था (bound state) बना सकें, जो चार क्वार्कों से बना एक एकल कण है। यह आकर्षण समान नहीं है; यह इन जोड़ों के विशिष्ट क्वांटम गुणों पर बहुत अधिक निर्भर करता है, जैसे कि उनका स्पिन (spin) और आइसोस्पिन (isospin), जो आंतरिक लेबल की तरह हैं जो कणों के व्यवहार को परिभाषित करते हैं। अध्ययन ने इन गुणों के विभिन्न संयोजनों के लिए बाइंडिंग एनर्जी (binding energy) की गणना की। बाइंडिंग एनर्जी इस बात का माप है कि कण एक-दूसरे से कितनी मजबूती से बंधे हुए हैं; उच्च मान का अर्थ है कि कण अधिक स्थिर है और उसे तोड़ना कठिन है। सिमुलेशन ने दिखाया कि सबसे मजबूती से बद्ध अवस्थाएं तब होती हैं जब जोड़े में स्पिन और आइसोस्पिन के विशिष्ट संयोजन होते हैं, जिनकी बाइंडिंग एनर्जी सौ MeV से अधिक होती है। इसके विपरीत, अन्य संयोजन बहुत कमजोर थे, जिसमें एक विशिष्ट विन्यास की बाइंडिंग एनर्जी केवल कुछ MeV थी, जो इसे मुश्किल से थामे हुए था।

इन बद्ध अवस्थाओं के स्वरूप को समझने के लिए, शोधकर्ताओं ने गणना की कि जब दो रो मेसॉन बंधे होते हैं तो उनके बीच की दूरी कितनी होती है। परिणामों ने दिखाया कि दोनों कण एक दूसरे से लगभग 1.3 से 1.7 फेम्टोमीटर (femtometers) की दूरी पर स्थित हैं। इसे समझने के लिए, एक फेम्टोमीटर एक क्वाड्रिलियनवां हिस्सा मीटर का होता है, एक ऐसा पैमाना जो बिना तुलना के विज़ुअलाइज़ करना कठिन है। यदि एक एकल रो मेसॉन एक कंचे (marble) के आकार का हो, तो दोनों के बीच की दूरी उस कंचे की चौड़ाई के लगभग दोगुने के बराबर होगी। यह अलगाव पर्याप्त है जो यह सुझाव देता है कि दो मेसॉन क्वार्कों के एक एकल, अविभाज्य ढेर में विलीन नहीं होते हैं। इसके बजाय, वे एक द्विआधारी प्रणाली (binary system) में ग्रहों की तरह एक दूसरे की परिक्रमा करते हुए अपनी व्यक्तिगत पहचान बनाए रखते हैं। इस संरचना को अक्सर एक "आणविक" (molecular) अवस्था के रूप में वर्णित किया जाता है, जहाँ दो कणों को एक ऐसे बल द्वारा थामे रखा जाता है जो एक एकल प्रोटॉन के भीतर क्वार्कों को बांधने वाले बल से अलग होता है।

अध्ययन ने इस बात की भी जांच की कि ये कण क्यों आपस में जुड़ते हैं। सक्रिय बलों का विश्लेषण करके, शोधकर्ताओं ने पाया कि इस आकर्षण का प्राथमिक चालक क्वार्कों की गतिज ऊर्जा (kinetic energy) है। इस मॉडल में, जब दो रो मेसॉन करीब आते हैं, तो उनके आंतरिक क्वार्क "डेलोकलाइज" (delocalize) होने के लिए स्वतंत्र होते हैं, जिसका अर्थ है कि वे अपने मूल घर में सख्ती से सीमित रहने के बजाय दोनों कणों के बीच घूम सकते हैं। यह गति प्रणाली की कुल ऊर्जा को कम करती है, जिससे एक शक्तिशाली आकर्षक बल पैदा होता है जो दो मेसॉन को एक साथ खींचता है। अन्य बल, जैसे कि वह 'कन्फाइनमेंट' (confinement) जो क्वार्कों को एक एकल कण के भीतर रखता है, मध्यम दूरी पर मेसॉन को एक-दूसरे से दूर धकेलते हैं। हालांकि, गतिज प्रभाव अधिकांश मामलों में इस प्रतिकर्षण को पार करने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली है, जिससे एक बद्ध अवस्था का निर्माण होता है। शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि दो डेल्टा बैरयॉन (delta baryons) के बीच की अंतःक्रिया के साथ एक मजबूत समानता है—जो तीन क्वार्कों से बना एक प्रकार का कण है—जिसने d-स्टार (d-star) नामक एक स्थिर छह-क्वार्क अवस्था बनाने की भविष्यवाणी की है।

इस शोध पत्र की शायद सबसे महत्वपूर्ण खोज इस नए कण के लिए सबसे आशाजनक उम्मीदवार की पहचान करना है। जबकि स्पिन और आइसोस्पिन के कई संयोजनों के परिणामस्वरूप बद्ध अवस्थाएं प्राप्त हुईं, शोधकर्ताओं ने तर्क दिया कि विशिष्ट संयोजन, जिसे IJ = 02 लेबल किया गया है, प्रयोगों में देखे जाने की सबसे अधिक संभावना है। यह निष्कर्ष इस आधार पर निकाला गया कि यह कण अन्य पदार्थ के साथ कैसे अंतःक्रिया करेगा। अध्ययन सुझाव देता है कि अन्य संभावित उम्मीदवार, जैसे कि IJ = 00 अवस्था, बहुत अस्थिर हो सकती है ताकि वह पता लगाने योग्य समय तक जीवित रह सके, क्योंकि वे स्ट्रॉन्ग इंटरैक्शन के माध्यम से अन्य कणों में आसानी से क्षय हो सकते हैं। हालांकि, IJ = 02 अवस्था अधिक व्यवहार्य होने की भविष्यवाणी की गई है क्योंकि यह केवल टेंसर-फोर्स कपलिंग (tensor-force coupling) के माध्यम से D-वेव पायॉन्स (D-wave pions) में क्षय हो सकती है, जो कि अन्य अवस्थाओं के लिए उपलब्ध सेंट्रल-फोर्स कपलिंग की तुलना में आम तौर पर कमजोर होती है। यह कमजोर कपलिंग का अर्थ है कि अवस्था चैनल कपलिंग प्रभावों से कम प्रभावित होती है, जिससे यह लेखकों द्वारा कहे गए "अनिवार्य" (inevitable) नॉनस्ट्रेंज टेट्राक्वर्क के लिए एक बेहतर उम्मीदवार बन जाती है। "अनिवार्य" शब्द d-star बैरयॉन के इतिहास से लिया गया है, जिसकी भविष्यवाणी इसी तरह के सैद्धांतिक आधारों पर की गई थी और जिसे बाद में प्रयोगों में देखा गया है।

यह पत्र प्रयोगशाला में इस कण की खोज का दावा नहीं करता है, बल्कि इसके अस्तित्व के लिए एक मजबूत सैद्धांतिक मामला प्रदान करता है। शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि उनका कार्य एक सिमुलेशन है, एक गणना है कि यदि भौतिकी के नियमों को इस विशिष्ट प्रणाली पर लागू किया जाए तो क्या होना चाहिए। वे स्वीकार करते हैं कि इस कण के अस्तित्व की पुष्टि करने के लिए, प्रयोगात्मक वैज्ञानिकों को उच्च-ऊर्जा टकरावों में इसे खोजना होगा, जैसे कि प्रमुख कण त्वरकों (particle accelerators) में किए जाने वाले टकराव। अध्ययन नोट करता है कि IJ = 00 अवस्था के लिए सिंगल-चैनल ऊर्जा 1437.87 MeV है, जबकि IJ = 02 अवस्था की सिंगल-चैनल ऊर्जा 1429.95 MeV है। लेखक सुझाव देते हैं कि IJ = 00 अवस्था स्पष्ट रूप से देखे जाने के लिए बहुत व्यापक और अस्थिर हो सकती है, जो IJ = 02 अवस्था को भविष्य की खोजों के लिए सबसे अच्छा लक्ष्य के रूप में और अधिक रेखांकित करती है।

अंततः, यह शोध पदार्थ के संयोजन की चल रही कहानी में एक नया अध्याय जोड़ता है। यह दिखाकर कि दो रो मेसॉन एक स्थिर, चार-क्वार्क कण बनाने के लिए एक साथ बंध सकते हैं, यह अध्ययन संभव पदार्थ के ज्ञात परिदृश्य का विस्तार करता है। यह सुझाव देता है कि प्रकृति के पास क्वार्कों को व्यवस्थित करने के पहले से सोचे गए तरीकों से अधिक तरीके हो सकते हैं, और कुछ व्यवस्थाएं केवल सैद्धांतिक जिज्ञासाएं नहीं हैं बल्कि स्ट्रॉन्ग फोर्स के अनिवार्य परिणाम हैं। लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि इस विशिष्ट टेट्राक्वर्क की खोज अब प्रायोगिक भौतिकी के लिए एक प्राथमिकता है, क्योंकि इसे खोजना एक लंबे समय से चली आ रही भविष्यवाणी की पुष्टि करेगा और ब्रह्मांड को आकार देने वाले मूलभूत बलों के बारे में हमारी समझ को गहरा करेगा। यह कार्य एक स्पष्ट रोडमैप के रूप में कार्य करता है कि कहाँ देखना है, जो अगली पीढ़ी के कण भौतिकी प्रयोगों के लिए एक विशिष्ट लक्ष्य और एक ठोस सैद्धांतिक आधार प्रदान करता है।