Search for $^4\overline{\mathrm{Li}}$ from $\overline{\mathrm{p}}+{}^3\overline{\mathrm{He}}$ femtoscopy in Pb-Pb collisions at $\sqrt{s_\mathrm{NN}} =5.36$ TeV with ALICE

हमारे ब्रह्मांड के सबसे चरम वातावरणों में, पदार्थ उन तरीकों से व्यवहार करता है जो रोजमर्रा की सहज बुद्धि को चुनौती देते हैं। टकराते हुए सितारों के हृदय में या बिग बैंग के बाद के पहले कुछ क्षणों में, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन—जो सभी परमाणु नाभिकों के निर्माण खंड हैं—केवल स्थिर नहीं रहते; वे इतनी हिंसा के साथ आपस में टकराते हैं कि वे थोड़े समय के लिए पदार्थ के नए, नाजुक रूपों में फ्यूज हो सकते हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से इन क्षणिक समूहों में रुचि रखते रहे हैं, विशेष रूप से उन रूपों में जो केवल ढीले तौर पर एक साथ जुड़े होते हैं। जबकि हीलियम जैसे स्थिर परमाणु सघन और टिकाऊ होते हैं, अन्य परमाणु अवस्थाएं अस्थायी सभाओं की तरह होती हैं, जो बिखरने से पहले बस एक क्षण के लिए टिकी रहती हैं। इन नाजुक संरचनाओं के बनने को समझना न केवल हमारे ब्रह्मांड के इतिहास को डिकोड करने के लिए महत्वपूर्ण है, बल्कि गहरे अंतरिक्ष से आने वाले संकेतों की व्याख्या करने के लिए भी आवश्यक है, जहाँ रहस्यमय डार्क मैटर का विनाश इसी तरह के विलक्षण कणों को उत्पन्न कर सकता है।

लार्ज हैड्रोन कोलाइडर में, शोधकर्ता लगभग प्रकाश की गति से भारी लेड आयनों को आपस में टकराकर इन आदिम स्थितियों को फिर से निर्मित करते हैं। एक हालिया अध्ययन में, एलिस (ALICE) सहयोग ने एक विशिष्ट, मायावी उम्मीदवार की ओर अपना ध्यान केंद्रित किया: तीन प्रोटॉन और एक न्यूट्रॉन से बना एक नाभिक, जिसे लिथियम-4 के रूप में जाना जाता है। यह लिथियम का एक दुर्लभ और अस्थिर संस्करण है जो केवल एक 'रेजोनेंस' (अनुनाद) के रूप में मौजूद होता है, जो पदार्थ का एक अल्पकालिक कंपन है और लगभग तुरंत एक प्रोटॉन और हीलियम-3 नाभिक में क्षय हो जाता है। जबकि लिथियम का स्थिर संस्करण सामान्य है, यह विशिष्ट, अस्थिर रूप पहले कभी उच्च-ऊर्जा टकरावों में नहीं देखा गया है। सैद्धांतिक मॉडल भविष्यवाणी करते हैं कि क्योंकि यह कण एक सघन, सुगठित गोले के बजाय एक ढीली, अनुनादी अवस्था है, इसलिए इसे अपने स्थिर भाई हीलियम-4 की तुलना में अधिक संख्या में उत्पादित किया जाना चाहिए। इस भविष्यवाणी का परीक्षण करना यह जांचने का एक अनूठा तरीका है कि अत्यधिक दबाव के तहत परमाणु पदार्थ कैसे एकत्रित होता है।

इस भूतिया कण की खोज के लिए, टीम ने कोलाइडर के 2023 के रन से एक अरब से अधिक टकरावों वाले विशाल डेटासेट का विश्लेषण किया, जिसमें उन सबसे हिंसक, केंद्रीय टकरावों पर ध्यान केंद्रित किया गया जहाँ पदार्थ का घनत्व उच्चतम होता है। चूंकि लिथियम-4 कण बहुत जल्दी गायब हो जाता है जिससे इसे सीधे देखना असंभव है, इसलिए वैज्ञानिकों को इसके निशान मलबे में खोजने थे। उन्होंने कणों के जोड़ों—एक प्रोटॉन और एक हीलियम-3 नाभिक—की तलाश की जो एक ही स्थान से उत्पन्न होते प्रतीत होते थे और जिनकी गति के बीच एक विशिष्ट संबंध था। यह अध्ययन करके कि ये जोड़े यादृच्छिक संयोग की तुलना में कितनी बार एक साथ दिखाई दिए, टीम ने उनके बीच के "सहसंबंध" (कोरिलेशन) को पुनर्गठित किया। यदि एक लिथियम-4 कण का निर्माण हुआ होता और फिर वह क्षय हुआ होता, तो वह इस सहसंबंध पैटर्न में एक विशिष्ट हस्ताक्षर छोड़ता, जो एक विशिष्ट ऊर्जा स्तर पर एक छोटे से उभार (बम्प) के रूप में दिखाई देता।

शोधकर्ताओं ने संभावित लिथियम-4 कण के संकेत को यादृच्छिक कण जोड़ों के भारी बैकग्राउंड शोर से अलग करने के लिए एक परिष्कृत गणितीय मॉडल बनाया। इस मॉडल ने उन प्राकृतिक बलों को ध्यान में रखा जो प्रोटॉन और हीलियम नाभिकों को एक साथ खींचते या धकेलते हैं, साथ ही टकराव से उत्पन्न हुए 'फायरबॉल' के आकार को भी शामिल किया। जब उन्होंने अपने डेटा पर इस मॉडल को लागू किया, तो उन्हें अपेक्षित क्षेत्र में एक छोटा सा संकेत मिला, लेकिन यह एक खोज घोषित करने के लिए पर्याप्त मजबूत नहीं था। कण की उपस्थिति के लिए सांख्यिकीय प्रमाण उस स्तर पर था जो एक नया अवलोकन दावा करने के लिए आवश्यक सख्त सीमा से थोड़ा कम रह गया। फलस्वरूप, टीम लिथियम-4 के अस्तित्व की पुष्टि करने में विफल रही, लेकिन वे इस पर एक बहुत ही सटीक सीमा (लिमिट) निर्धारित करने में सक्षम रहे कि यह संभवतः कितना हो सकता है।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि यदि लिथियम-4 उत्पादित हो रहा है, तो यह विश्लेषण किए गए कुल टकरावों के दस लाख में से एक भाग से भी कम दर पर हो रहा है। यह ऊपरी सीमा महत्वपूर्ण है क्योंकि यह उन प्रचलित सिद्धांतों को चुनौती देती है कि ये कण कैसे बनते हैं। जब टीम ने मानक थर्मल मॉडलों के साथ अपने निष्कर्षों की तुलना की—जो यह मान लेते हैं कि सभी कण केवल उनके द्रव्यमान और स्पिन के आधार पर बनाए जाते हैं—तो उन मॉडलों ने लिथियम-4 के लिए बहुत अधिक प्राप्ति (यील्ड) की भविष्यवाणी की थी। मॉडलों ने सुझाव दिया कि यह कण प्रचुर मात्रा में होना चाहिए, फिर भी प्रयोग में इसे दुर्लभ या अनुपस्थित पाया गया। यह विसंगति बताती है कि सरल थर्मल चित्र में कोई महत्वपूर्ण घटक गायब हो सकता है, जो शायद लिथियम-4 नाभिक की विशिष्ट आंतरिक संरचना या इसकी ढीली, अनुनादी प्रकृति से संबंधित है।

यद्यपि इस खोज में कोई पुष्ट दृश्य प्राप्त नहीं हुआ, लेकिन यह कार्य भविष्य के सिद्धांतों के लिए एक महत्वपूर्ण प्रतिबंध प्रदान करता है। यह इंगित करता है कि इन नाजुक, अनुनादी परमाणु अवस्थाओं का उत्पादन पहले की तुलना में अधिक जटिल है और यह परमाणु तरंग फलन (वेव फंक्शन) के विस्तृत आकार और आकार पर बहुत अधिक निर्भर करता है। जब टीम ने न्यूक्लियॉन के संलयन (कोलेसेंस) पर आधारित वैकल्पिक मॉडलों का उपयोग किया, तो उनके परिणाम भी कण की त्रिज्या के बारे में धारणाओं के सावधानीपूर्वक समायोजन की मांग करते हैं। अंततः, यह नकारात्मक परिणाम विज्ञान के लिए एक सकारात्मक कदम है, क्योंकि यह भविष्यवाणियों की एक विस्तृत श्रृंखला को खारिज करता है और भौतिकविदों को यह समझने के लिए मजबूर करता है कि ब्रह्मांड आधार से ऊपर की ओर पदार्थ का निर्माण कैसे करता है। इस मायावी परमाणु अवस्था की खोज अब इस कठोर विश्लेषण द्वारा निर्धारित नई सीमाओं के मार्गदर्शन में जारी है।