Jet-like dihadron correlations in OO and Ne--Ne collisions at $\sqrt{s_{\rm NN}} = 5.36$ TeV with ALICE

दशकों से, भौतिक विज्ञानी ब्रह्मांड के जन्म के ठीक बाद की स्थितियों को फिर से बनाने के लिए लगभग प्रकाश की गति से भारी परमाणु नाभिकों को आपस में टकरा रहे हैं। इन हिंसक टकरावों में, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन जो आमतौर पर परमाणु नाभिक बनाते हैं, पिघलकर उनके मौलिक निर्माण खंडों: क्वार्क और ग्लूऑन का एक गर्म, सघन सूप बना देते हैं। पदार्थ की इस अवस्था को 'क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा' कहा जाता है। वैज्ञानिकों का लंबे समय से यह मानना रहा है कि यह प्लाज्मा एक आदर्श तरल (परफेक्ट फ्लूइड) की तरह व्यवहार करता है, जो हाइड्रोडायनामिक्स के नियमों द्वारा अनुमानित तरीकों से बहता और फैलता है, ठीक वैसे ही जैसे पानी एक पाइप के माध्यम से बहता है। हालाँकि, एक पहेलीनुमा खोज ने बातचीत का रुख बदल दिया। शोधकर्ताओं ने पाया कि जब उन्होंने बहुत छोटे कणों, जैसे कि एक एकल प्रोटॉन को एक भारी लेड (सीसा) नाभिक से टकराया, तब भी यह तरल जैसा व्यवहार दिखाई दिया। इसने एक मौलिक प्रश्न खड़ा कर दिया: एक प्रणाली कितनी छोटी हो सकती है इससे पहले कि वह तरल की तरह व्यवहार करना बंद कर दे? इस उत्तर को खोजने के लिए, वैज्ञानिकों को ऐसे टकरावों का अध्ययन करने की आवश्यकता थी जो विशाल लेड-ऑन-लेड टकरावों से छोटे थे लेकिन नन्हे प्रोटॉन टकरावों से बड़े थे, जिससे वे ज्ञात और अज्ञात के बीच के अंतर को पाट सकें।

इस मध्य मार्ग की खोज के लिए, लार्ज हैड्रोन कोलाइडर में ALICE डिटेक्टर का उपयोग करने वाली शोधकर्ताओं की एक टीम ने हल्के परमाणु नाभिकों से जुड़े टकरावों की ओर अपना ध्यान केंद्रित किया। विशेष रूप से, उन्होंने ऑक्सीजन नाभिक और ऑक्सीजन नाभिक, तथा नियोन नाभिक और नियोन नाभिक के बीच होने वाले टकरावों का अध्ययन किया। ये पिछले प्रयोगों के भारी, धीमी गति से चलने वाले दिग्गजों की तरह नहीं हैं, बल्कि हल्के, तेज़ गति से चलने वाले प्रक्षेप्य (प्रोजेक्टाइल्स) हैं। टीम ने इन टकरावों को 5.36 ट्रिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट प्रति न्यूक्लियॉन पेयर के ऊर्जा स्तर पर रिकॉर्ड किया, जो इतनी उच्च स्केल है कि बड़े सिस्टमों में देखे जाने वाले समान गर्म, सघन पदार्थ को संभावित रूप से बना सके। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या यहाँ तरल जैसे माध्यम के संकेत दिखाई देंगे, और यदि ऐसा है, तो वे विशाल लेड टकरावों के सुस्थापित व्यवहार की तुलना में कैसे हैं। उन्होंने एक विशिष्ट घटना पर ध्यान केंद्रित किया: क्या होता है जब एक उच्च-गति वाला कण, जो टकराव से उत्पन्न हुआ है, इस संभावित पदार्थ के सूप के माध्यम से अपना रास्ता बनाने की कोशिश करता है।

उच्च-ऊर्जा भौतिकी की दुनिया में, जब दो कण टकराते हैं, तो वे अक्सर विपरीत दिशाओं में तेजी से निकलने वाले कणों की एक जोड़ी उत्पन्न करते हैं। वैज्ञानिक इसे "जेट" कहते हैं। यदि टकराव निर्वात (वैक्यूम) में होता है, तो ये दोनों कण सफाई से दूर चले जाते हैं, जिससे वे एक-दूसरे को संतुलित करते हैं। लेकिन यदि टकराव एक सघन, तरल जैसे माध्यम के भीतर होता है, तो माध्यम से गुजरने वाला कण ऊर्जा खो देता है, ठीक वैसे ही जैसे गहरे पानी के माध्यम से दौड़ने की कोशिश करने वाला धावक। यह ऊर्जा हानि उन कणों के पैटर्न को बदल देती है जो बाहर निकलते हैं। शोधकर्ताओं ने इन परिवर्तनों को मापने के लिए कणों के जोड़े के बीच के संबंध को मापा। उन्होंने दो विशिष्ट दिशाओं पर ध्यान केंद्रित किया: "नियर साइड" (निकट पक्ष), जहाँ कण प्रारंभिक ट्रिगर की लगभग समान दिशा में उड़ते हैं, और "अवे साइड" (दूर पक्ष), जहाँ कण विपरीत दिशा में उड़ते हैं। मानक प्रोटॉन-प्रोटॉन टकरावों में देखी गई तुलना करके, वे यह निर्धारित कर सकते थे कि क्या माध्यम कणों के पथ में हस्तक्षेप कर रहा है।

परिणामों ने परस्पर क्रिया (इंटरेक्शन) के एक सूक्ष्म संकेत को प्रकट किया। ऑक्सीजन टकरावों में, शोधकर्ताओं ने पाया कि कम गति पर, दोनों पक्षों (निकट और दूर) पर उम्मीद से अधिक कण थे, जो यह सुझाव देता है कि वातावरण मिश्रण में अतिरिक्त गतिविधि जोड़ रहा था। हालाँकि, जैसे ही उन्होंने तेज़, उच्च-ऊर्जा वाले कणों को देखा, एक स्पष्ट पैटर्न उभर कर आया। प्रारंभिक ट्रिगर के विपरीत दिशा में, कणों की संख्या मानक प्रोटॉन टकरावों की तुलना में काफी कम हो गई। यह कमी जेट-माध्यम अंतःक्रियाओं के गुणात्मक रूप से सुसंगत है, जो यह सुझाव देती है कि विपरीत दिशा में यात्रा करने वाले कणों ने माध्यम से गुजरते समय ऊर्जा खो दी थी। यह एक संकेत है कि ऑक्सीजन नाभिक, लेड की तुलना में बहुत छोटे होने के बावजूद, उच्च गति वाले कणों को धीमा करने के लिए पर्याप्त सघन वातावरण बनाने में सक्षम थे। यह प्रभाव विशाल लेड टकरावों में देखी गई तुलना में उतना मजबूत नहीं था, लेकिन यह मौजूद था, जो यह सुझाव देता है कि तरल जैसा व्यवहार इन छोटे सिस्टम तक विस्तृत है।

दिलचस्प बात यह है कि शोधकर्ताओं ने देखा कि ट्रिगर की दिशा में उड़ने वाले कणों का समूह टकराव में कणों की संख्या बढ़ने के साथ थोड़ा चौड़ा हो गया। यह फैलाव (ब्रॉडनिंग) यह सुझाव देता है कि जेट की ऊर्जा का पुनर्वितरण हो रहा है, शायद आसपास के पदार्थ के साथ अंतःक्रिया करते समय थोड़ा बिखर रहा है। जब उन्होंने अपने निष्कर्षों की तुलना विशाल लेड टकरावों से की, तो उन्होंने पाया कि केंद्रीय ऑक्सीजन टकरावों का व्यवहार लेड टकरावों के बाहरी किनारों के आश्चर्यजनक रूप से समान था। यह समानता एक महत्वपूर्ण कड़ी प्रदान करती है, जो दिखाती है कि छोटे से बड़े सिस्टम की ओर संक्रमण एक अचानक उछाल नहीं है, बल्कि पदार्थ के व्यवहार में एक क्रमिक परिवर्तन है। डेटा बताता है कि इन हल्के आयन टकरावों में भी, क्वार्क-ग्लॉन प्लाज्मा बन रहा है, और यह उच्च-गति वाले कणों के साथ अंतःक्रिया कर रहा है।

हालाँकि, कहानी अभी पूरी तरह से समाप्त नहीं हुई है। जबकि दूर दिशा में कणों की कमी दृढ़ता से एक तरल माध्यम की उपस्थिति का संकेत देती है, शोधकर्ता चेतावनी देते हैं कि अन्य कारक भी प्रभाव डाल सकते हैं। नाभिकों की प्रारंभिक स्थिति से संबंधित प्रभाव या अध्ययन के लिए टकरावों के चयन का तरीका भी परिणामों को प्रभावित कर सकता है। टीम स्वीकार करती है कि देखे गए दमन (सप्रेशन) में इन वैकल्पिक स्पष्टीकरणों का कितना योगदान है, यह एक खुला प्रश्न बना हुआ है, क्योंकि इस विश्लेषण में उन्हें संबोधित नहीं किया गया था। वर्तमान निष्कर्ष एक मजबूत संकेत हैं, जो कि एक माध्यम की उपस्थिति में अपेक्षित चीज़ों का एक गुणात्मक मिलान हैं, लेकिन वे निर्णायक प्रमाण नहीं हैं। वैज्ञानिक समुदाय के लिए अगला कदम इन मापों को अन्य प्रकार के अवलोकनों के साथ जोड़ना है, जैसे कि स्वयं जेट के पथों का प्रत्यक्ष पुनर्निर्माण करना, ताकि एक अधिक पूर्ण चित्र बनाया जा सके। फिलहाल के लिए, ऑक्सीजन और नियोन टकरावों के अध्ययन ने सफलतापूर्वक एक नया झरोखा खोला है, जो यह दिखाता है कि प्रारंभिक ब्रह्मांड में मौजूद रहस्यमय, तरल जैसे पदार्थ की अवस्था पहले से सोची गई तुलना में बहुत छोटे सिस्टम में भी अस्तित्व में हो सकती है।