⚛️ नाभिकीय प्रयोग

Exploring the limit of partonic collectivity in small collision systems at the LHC

यह शोध पत्र LHC में उच्च-बहुलता वाले p-Pb और pp टकरावों में पहचाने गए हैड्रोन के दीर्घवृत्तीय प्रवाह ( $v_2$ ) का विश्लेषण करके छोटे टकराव प्रणालियों में पार्टोनिक सामूहिकता (partonic collectivity) की सीमाओं की जांच करता है, जिसमें यह पाया गया है कि हालांकि $N_{\rm ch} \geq 25$ वाले आयोजनों में पार्टोनिक प्रवाह के सूचक स्पष्ट द्रव्यमान-निर्भर समूहीकरण और विभाजन पैटर्न बने रहते हैं, लेकिन प्रयोगात्मक अनिश्चितताओं के कारण कम-बहुलता वाले आयोजनों ( $15 \leq N_{\rm ch} < 25$ ) में इन विशेषताओं की सांख्यिकीय सार्थकता कम हो जाती है।

मूल लेखक: ALICE Collaboration

प्रकाशित 2026-11-06

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CC BY 4.0

मूल लेखक: ALICE Collaboration

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इस नए अध्ययन में वर्णित कार्य को समझने के लिए, सबसे पहले व्यक्ति को भौतिकी में ज्ञात पदार्थ की सबसे चरम अवस्था की कल्पना करनी होगी। जब वैज्ञानिक भारी परमाणु नाभिकों को लगभग प्रकाश की गति पर आपस में टकराते हैं, तो प्रोटॉन और न्यूट्रॉन, जो आमतौर पर उन नाभिकों का निर्माण करते हैं, पिघल जाते हैं। एक क्षणिक पल के लिए, क्वार्क और ग्लूऑन, जो सामान्य रूप से उनके भीतर बंद रहते हैं, मुक्त हो जाते हैं, जिससे एक गर्म, सघन सूप बनता है जिसे 'क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा' कहा जाता है। लेड (सीसा) जैसे भारी परमाणुओं से जुड़ी सबसे बड़ी टक्करों में, यह सूप एक आदर्श तरल की तरह व्यवहार करता है, जो एक समन्वित तरीके से एक साथ बहता है। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि यह तरल फैलता है और कणों को बाहर की ओर धकेलता है, जिससे उन कणों के बिखरने के तरीके में एक विशिष्ट पैटर्न बनता है। यह पैटर्न, जिसे 'एलिप्टिक फ्लो' (दीर्घवृत्ताकार प्रवाह) के रूप में जाना जाता है, इस बात का संकेत है कि कण स्वतंत्र व्यक्तियों के बजाय एक सामूहिक समूह के रूप में चल रहे हैं।

वर्षों से, एक प्रमुख प्रश्न बना हुआ है: क्या यह सामूहिक व्यवहार केवल भारी परमाणुओं के विशाल टकरावों में मौजूद है, या यह बहुत छोटे तंत्रों में भी हो सकता है? शोधकर्ता प्रोटॉन को लेड परमाणुओं से टकराकर, या केवल प्रोटॉन को अन्य प्रोटॉनों से टकराकर इसका परीक्षण कर रहे हैं। भारी-परमाणु टकरावों की तुलना में ये बहुत छोटी टक्करें हैं, फिर भी इन्होंने उसी तरल-समान व्यवहार के संकेत दिखाए हैं। केंद्रीय रहस्य यह है कि रेखा कहाँ खींची जाती है। किस बिंदु पर एक टक्कर इतनी छोटी हो जाती है कि वह इस सामूहिक प्रवाह को उत्पन्न नहीं कर पाती? लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर में ALICE सहयोग के नए शोध का उद्देश्य कणों की संख्या में भिन्नता वाले टकरावों को देखकर उस सीमा को खोजने का प्रयास है, जो इस जांच को सबसे छोटे, सबसे विरल आयोजनों तक ले जाता है।

शोधकर्ताओं ने दो प्रकार के टकरावों पर ध्यान केंद्रित किया: प्रोटॉन का लेड नाभिकों से टकराना, और प्रोटॉन का अन्य प्रोटॉनों से टकराना। उन्होंने इन टकरावों को इस आधार पर समूहों में वर्गीकृत किया कि उनके बाद कितने आवेशित कण (charged particles) उत्पन्न हुए। उन्होंने सबसे भीड़भाड़ वाले आयोजनों को देखा, जहाँ पचास या अधिक कण उत्पन्न हुए, साथ ही मध्यम आकार के समूह जिन्हें पच्चीस से पचास कणों के बीच देखा गया, और अंत में सबसे विरल आयोजनों को जिनमें पंद्रह से पच्चीस कणों के बीच थे। प्रत्येक समूह में, उन्होंने विशिष्ट प्रकार के कणों को ट्रैक किया, जिसमें पायोन (pions) जैसे हल्के और प्रोटॉन तथा लैम्ब्डा (lambda) कणों जैसे भारी कणों के बीच अंतर किया गया। यह मापकर कि ये विभिन्न कण कैसे चलते हैं, वे देख सके कि क्या हल्के और भारी कण एक समन्वित, तरल-समान तरीके से व्यवहार कर रहे थे।

उन टकरावों में जिनमें सबसे अधिक कण उत्पन्न हुए, परिणाम स्पष्ट और उन बड़े भारी-परमाणु टकरावों के समान थे जो देखे जाते हैं। हल्के कण कम गति पर भारी कणों की तुलना में अधिक मजबूत सामूहिक प्रवाह के साथ चले, जिसे 'मास ऑर्डरिंग' (द्रव्यमान क्रम) कहा जाता है। जैसे-जैसे कण तेज चलते हैं, भारी कणों ने पकड़ बनाना शुरू कर दिया, और दोनों समूहों के कण एक विशिष्ट तरीके से अलग होने लगे। यह अलगाव, जहाँ भारी कण हल्के कणों की तुलना में एक अलग प्रवाह पैटर्न दिखाते हैं, इस बात का एक मजबूत संकेत है कि कण क्वार्क के एक साझा पूल से बने हैं जो अंतिम कणों में संयोजित होने से पहले एक साथ चल रहे हैं। यह व्यवहार बताता है कि इन छोटे प्रोटॉन-लेड और प्रोटॉन-प्रोटॉन टकरावों में भी, एक सूक्ष्म क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा बन रहा है और बह रहा है।

अध्ययन फिर कणों के छोटे समूहों की ओर बढ़ा, जहाँ यह प्रश्न कि क्या यह प्रवाह मौजूद है, उत्तर देना बहुत कठिन हो जाता है। मध्यम आकार के समूहों में, वही पैटर्न कायम रहे। हल्के और भारी कणों ने उसी समन्वित आंदोलन और अलगाव को दिखाया जो बड़े आयोजनों में देखा गया था। इसने पुष्टि की कि सामूहिक व्यवहार तब भी बना रहता है जब उत्पन्न कणों की संख्या काफी कम हो जाती है। हालाँकि, जब शोधकर्ताओं ने सबसे छोटे समूह को देखा, जिसमें केवल पंद्रह से पच्चीस कण थे, तो तस्वीर कम स्पष्ट हो गई। प्रोटॉन-लेड टकरावों में, भारी और हल्के कणों के बीच अलगाव का एक संकेत बना रहा, लेकिन साक्ष्य कमजोर था, जो लगभग दो मानक विचलन (standard deviations) की सार्थकता दिखा रहा था। इसका अर्थ है कि संकेत मौजूद है लेकिन अभी तक इतना मजबूत नहीं है कि इसे अपने आप में एक निर्णायक खोज माना जा सके।

सबसे छोटे प्रोटॉन-प्रोटॉन टकरावों में स्थिति और भी अस्पष्ट थी। इन आयोजनों में, भारी और हल्के कणों के बीच का अलगाव मुश्किल से दिखाई दे रहा था, जिसकी सार्थकता एक मानक विचलन से भी कम थी। डेटा इतना शोर युक्त (noisy) था कि निश्चितता के साथ यह कहना कठिन था कि सामूहिक प्रवाह गायब हो गया है या यह केवल माप की सीमाओं के कारण छिपा हुआ है। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि जबकि बड़े समूहों में पैटर्न स्पष्ट रूप से एक पार्टोनिक तरल (partonic fluid) की उपस्थिति का सुझाव देते हैं, छोटे आयोजन अभी तक स्पष्ट उत्तर प्रदान नहीं करते हैं। परिणाम संकेत देते हैं कि स्पष्ट सामूहिक प्रवाह वाले तंत्र से बिना प्रवाह वाले तंत्र में संक्रमण संभवतः इसी निम्न-बहुलता (low-multiplicity) क्षेत्र में होता है, लेकिन वर्तमान डेटा उस सटीक क्षण को निर्धारित नहीं कर सकता।

यह कार्य इस सीमा को मानचित्रित करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है कि एक तंत्र कितना छोटा हो सकता है और फिर भी तरल की तरह व्यवहार कर सकता है। निष्कर्ष पुष्टि करते हैं कि बड़े भारी-आयन टकरावों में देखा जाने वाला सामूहिक प्रवाह केवल उन्हीं तक सीमित नहीं है; यह उच्च-बहुलता वाले प्रोटॉन टकरावों में भी दिखाई देता है। हालाँकि, जैसे-जैसे कणों की संख्या घटती है, इस प्रवाह का संकेत पृष्ठभूमि के शोर में विलीन हो जाता है। अध्ययन यह सिद्ध नहीं करता कि सबसे छोटे आयोजनों में प्रवाह पूरी तरह से समाप्त हो जाता है, न ही यह इसे खारिज करता है। इसके बजाय, यह अधिक सटीक मापों की आवश्यकता पर प्रकाश डालता है। लेखक का सुझाव है कि लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर के अगले चरण के संचालन से प्राप्त भविष्य के डेटा से यह निर्धारित करने के लिए आवश्यक होगा कि क्या यह सूक्ष्म तरल सबसे विरल टकरावों में मौजूद है या क्या एक कठोर सीमा है जिसके नीचे सामूहिक व्यवहार नहीं बन सकता। तब तक, कणों के अराजक छिड़काव और एक बहते हुए तरल के बीच की सीमा एक खुला प्रश्न बनी हुई है, जो स्पष्ट डेटा द्वारा परिभाषित होने की प्रतीक्षा कर रही है।

तकनीकी सारांश: LHC में छोटे टकराव प्रणालियों में पार्टोनिक सामूहिकता की सीमा का अन्वेषण

समस्या और प्रेरणा
अति-सापेक्षिक भारी आयन टकरावों (जैसे Pb–Pb, Xe–Xe) में एक विखंडित अवस्था (deconfined state), क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा (QGP) का निर्माण स्थापित है, जो जेट क्वेंचिंग और अनिसोट्रोपिक फ्लो (anisotropic flow) जैसी घटनाओं द्वारा पहचाना जाता है। उच्च-ऊर्जा नाभिकीय भौतिकी में एक महत्वपूर्ण खुला प्रश्न यह है कि क्या छोटे टकराव तंत्रों, विशेष रूप से प्रोटॉन-लेड (p–Pb) और प्रोटॉन-प्रोटॉन (pp) टकरावों में भी समान QGP-समान पदार्थ और पार्टोनिक सामूहिकता (partonic collectivity) उभरती है। उच्च-बहुलता वाले आयनों (ALICE) के पिछले मापन ने निम्न ट्रांसवर्स मोमेंटम ( $p_T$ ) पर दीर्घवृतीय प्रवाह ( $v_2$ ) के द्रव्यमान क्रम (mass ordering) और मध्यवर्ती $p_T$ पर बेरियन और मेसॉन के बीच एक विशिष्ट समूहन और विभाजन को प्रकट किया है। ये विशेषताएं, जो क्वार्क-कोलेसेंस (quark-coalescence) तंत्र के अनुरूप हैं, पार्टोनिक सामूहिकता का सुझाव देती हैं। हालांकि, कम-बहुलता वाले आयनों में इस सामूहिकता की सीमाएं अभी भी अस्पष्ट हैं। यद्यपि बहुत कम बहुलता ( $N_{ch} \sim 8$ p–Pb में, $N_{ch} \sim 10$ pp में) तक अति-दीर्घ-सीमा सहसंबंध (ultra-long-range correlations) देखे गए हैं, लेकिन यह निर्धारित नहीं है कि क्या ये सहसंबंध पार्टोनिक फ्लो को दर्शाते हैं या अन्य अंतिम-अवस्था प्रभावों (final-state effects) से उत्पन्न होते हैं। यह अध्ययन बहुलता की एक विस्तृत श्रेणी में पहचाने गए हैड्रोन $v_2$ के विकास की जांच करने का लक्ष्य रखता है ताकि उस दहलीज (threshold) की पहचान की जा सके जहाँ पार्टोनिक सामूहिकता समाप्त हो सकती है।

कार्यप्रणाली (Methodology)
यह विश्लेषण LHC रन 2 (2016–2018) के दौरान ALICE डिटेक्टर द्वारा रिकॉर्ड किए गए डेटा का उपयोग करता है, जो $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV के लिए p–Pb टकरावों और $\sqrt{s} = 13$ TeV के लिए pp टकरावों के लिए है। अध्ययन तीन बहुलता अंतरालों पर केंद्रित है जिन्हें दक्षता-सुधारित आवेशित कणों ( $N_{ch}$ ) की संख्या द्वारा परिभाषित किया गया है, जो $|\eta| < 0.8$ और $0.2 < p_T < 3.0$ GeV/c के काइनेमैटिक क्षेत्र में है:

उच्च बहुलता: $N_{ch} \ge 50$
मध्यवर्ती बहुलता: $25 \le N_{ch} < 50$
निम्न बहुलता: $15 \le N_{ch} < 25$

पहचाने गए हैड्रोन में मेसॉन ( $\pi^\pm, K^\pm, K^0_S$ ) और बेरियन ( $p(\bar{p}), \Lambda(\bar{\Lambda})$ ) शामिल हैं। आवेशित हैड्रोन के लिए कण पहचान (PID) TPC और TOF जानकारी को संयोजित करने वाले एक बेयसियन दृष्टिकोण का उपयोग करती है। तटस्थ स्ट्रेंज हैड्रोन ( $K^0_S, \Lambda$ ) का पुनर्निर्माण उनके कमजोर क्षय टोपोलॉजी (weak decay topologies) के माध्यम से किया जाता है।

दीर्घवृतीय प्रवाह गुणांक $v_2(p_T)$ को डाय-हैड्रोन सहसंबंध विधि (di-hadron correlation method) का उपयोग करके निकाला जाता है। ट्रिगर कणों (पहचाने गए हैड्रोन) को फॉरवर्ड मल्टीप्लिसिटी डिटेक्टर्स (FMD) में पता लगाए गए समावेशी आवेशित हैड्रोन के साथ सहसंबंधित किया जाता है, जिससे एक बड़ा स्यूडो-रैपिडिटी अंतराल ( $|\Delta\eta| > 1.1$ ) बनता है ताकि लघु-सीमा गैर-प्रवाह सहसंबंधों (जैसे जेट, रेजोनेंस डिके) को दबाया जा सके। शेष गैर-प्रवाह योगदान को और कम करने के लिए, एक टेम्पलेट-फिट विधि लागू की जाती है, जिसमें $N_{ch} < 15$ वाले आयनों को गैर-प्रवाह बेसलाइन के रूप में उपयोग किया जाता है। ऑटो-कोरिलेशन को कम करने के लिए $v_2$ गुणांकों की गणना थ्री-सबइवेंट (three-subevent) विधि का उपयोग करके की जाती है। व्यवस्थित अनिश्चितताओं (systematic uncertainties) का मूल्यांकन इवेंट और ट्रैक चयन मानदंडों, PID थ्रेशोल्ड और गैर-प्रवाह बेसलाइन मॉडलिंग में भिन्नता करके किया जाता है।

प्रमुख परिणाम

उच्च और मध्यवर्ती बहुलता ( $N_{ch} \ge 25$ ): p–Pb और pp दोनों टकरावों में, परिणाम निम्न $p_T$ ( $< 2$ GeV/c) पर $v_2$ के स्पष्ट द्रव्यमान क्रम की पुष्टि करते हैं। मध्यवर्ती $p_T$ क्षेत्र ( $3 < p_T < 6$ GeV/c) में, एक विशिष्ट समूहन देखा गया है: बेरियन एक साथ क्लस्टर होते हैं, और मेसॉन एक साथ क्लस्टर होते हैं, और दोनों समूहों के बीच एक महत्वपूर्ण विभाजन होता है।
- p–Pb टकरावों में ( $N_{ch} \ge 50$ और $25 \le N_{ch} < 50$ ), बेरियन-मेसॉन विभाजन की सार्थकता उच्च है ( $6.13\sigma$ और $5.28\sigma$ , क्रमशः)।
- pp टकरावों में ( $25 \le N_{ch} < 50$ ), विभाजन की सार्थकता लगभग $4.78\sigma$ है।
- बेरियन-टू-मेसॉन $v_2$ अनुपात एक विस्तृत $p_T$ रेंज में एकता (unity) से अधिक है, जो क्वार्क-कोलेसेंस मॉडल के अनुरूप है।
निम्न बहुलता ( $15 \le N_{ch} < 25$ ):
- p–Pb टकराव: द्रव्यमान क्रम और समूहन पैटर्न दृश्यमान बने रहते हैं। बेरियन-टू-मेसॉन $v_2$ अनुपात $p_T > 2.2$ GeV/c के लिए एकता से ऊपर रहता है, जो उच्च बहुलता के समान है। हालांकि, सांख्यिकीय और व्यवस्थित अनिश्चितताएं विभाजन की सार्थकता को घटाकर लगभग $2\sigma$ कर देती हैं।
- pp टकराव: जबकि निम्न $p_T$ पर द्रव्यमान क्रम दृश्यमान है, मध्यवर्ती $p_T$ क्षेत्र में बेरियन और मेसॉन $v_2$ के बीच कोई स्पष्ट अंतर नहीं दिखता है। बेरियन-टू-मेसॉन अनुपात एकता के आसपास उतार-चढ़ाव करते हैं, और विभाजन की सार्थकता घटकर $1\sigma$ से कम ( $\sim 0.35\sigma$ ) हो जाती है।

महत्व और दावे
लेख यह निष्कर्ष निकालता है कि पार्टोनिक सामूहिकता का विकास, जो बेरियन-मेसॉन समूहन और विभाजन द्वारा प्रमाणित है, p–Pb और pp टकरावों में $N_{ch} \ge 25$ के लिए अवलोकनों के अनुरूप है। निम्न-बहुलता क्षेत्र ( $15 \le N_{ch} < 25$ ) में, प्रयोगात्मक सीमाओं के कारण परिणाम अधिक संदिग्ध हैं। p–Pb टकरावों में, विभाजन पैटर्न बना रहता है लेकिन कम सार्थकता ( $\sim 2\sigma$ ) के साथ, जबकि pp टकरावों में, कोई महत्वपूर्ण विभाजन नहीं देखा गया है ( $< 1\sigma$ )।

लेखक का कहना है कि ये मापन "छोटे टकराव प्रणालियों में पार्टोनिक फ्लो की सीमाओं को पहचानने की दिशा में पहले कदम" हैं। वे निम्न बहुलता ( $15 \le N_{ch} < 25$ ) में सामूहिकता के गायब होने की निश्चित खोज का दावा नहीं करते हैं, बल्कि यह रेखांकित करते हैं कि वर्तमान प्रयोगात्मक अनिश्चितताएं $15 \le N_{ch} < 25$ शासन में ठोस निष्कर्ष निकालने से रोकती हैं। पेपर इस बात पर जोर देता है कि हाल ही में संपन्न हुए LHC रन 3 से उच्च-परिशुद्धता मापन इन सीमाओं को और अधिक सीमित करने और यह निर्धारित करने के लिए आवश्यक हैं कि क्या निम्न-बहुलता वाले आयनों में देखे गए सहसंबंध पार्टोनिक सामूहिकता द्वारा संचालित हैं या अन्य तंत्रों द्वारा।

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