Yoctosecond imaging of the 129Xe ground state at the Large Hadron Collider
बेयज़ियन अनुमान (Bayesian inference) को हाइड्रोडायनामिक सिमुलेशन और Xe-Xe एवं Pb-Pb टकरावों से प्राप्त लार्ज हैड्रोन कोलाइडर डेटा के साथ संयोजित करके, यह अध्ययन प्रकट करता है कि 129Xe नाभिक का जमीनी अवस्था का आकार लगभगतः अधिकतम त्रियक्षीय (triaxial) है, जिससे उच्च-ऊर्जा कोलाइडर प्रयोग क्वांटम अनेक-निकाय सहसंबंधों (quantum many-body correlations) को परिमाणित करने और *ab initio* परमाणु सिद्धांत को सीमित करने के लिए एक व्यवहार्य विधि के रूप में स्थापित होते हैं।
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परमाणु के नाभिक को समझने के लिए, वैज्ञानिक लंबे समय से दुनिया को देखने के दो बहुत अलग तरीकों पर भरोसा करते आए हैं। एक दृष्टिकोण कम-ऊर्जा वाले प्रयोगों का उपयोग करता है, जहाँ कणों की किरणें नाभिक की सतह को धीरे से टटोलती हैं, जिससे उसके औसत आकार और आकार का पता चलता है। दूसरा तरीका उच्च-ऊर्जा वाले टकरावों का उपयोग करता है, जो पदार्थ को एक साथ रखने वाले मौलिक बलों का अध्ययन करने के लिए परमाणुओं को प्रकाश की गति के करीब टकराते हैं। दशकों तक, ये दोनों दुनियाएँ काफी हद तक अलग रहीं। उच्च-ऊर्जा वाले टकरावों को मुख्य रूप से पदार्थ को जोड़ने वाले मौलिक बलों का अध्ययन करने के एक तरीके के रूप में देखा जाता था, जबकि कम-ऊर्जा वाले तरीके व्यक्तिगत परमाणुओं की संरचना का मानचित्र बनाने के लिए मानक थे। हालाँकि, एक नया दृष्टिकोण उभरा है: हिंसक टकराव स्वयं एक कैमरे के रूप में कार्य कर सकता है, जो नाभिक के नष्ट होने से पहले उसकी आंतरिक व्यवस्था की एक तस्वीर ले सकता है। यह इसलिए संभव है क्योंकि टकराव इतनी तेज़ी से होता है कि टक्कर के दौरान नाभिक के भीतर प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की स्थिति प्रभावी रूप से स्थिर (फ्रीज) रहती है। टकराव के बाद उड़ने वाले मलबे का विश्लेषण करके, भौतिक विज्ञानी उन कणों की व्यवस्था को पुनर्गठित करने के लिए पीछे की ओर काम कर सकते हैं, जिससे प्रभावी रूप से नाभिक की ऐसी इमेजिंग संभव हो पाती है जो पहले असंभव थी।
CERN में शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस अवधारणा को एक महत्वपूर्ण कदम आगे बढ़ाया है, जिसमें ज़ेनॉन-129 (xenon-129) नाभिक की 'ग्राउंड स्टेट' की विस्तृत छवि बनाने के लिए लार्ज हैड्रोन कोलाइडर से प्राप्त डेटा का उपयोग किया गया है। हाल ही में प्रकाशित एक अध्ययन में, उन्होंने नाभिक को एक घूमती हुई, विकृत वस्तु के रूप में एक मॉडल और परिणामी टकराव के जटिल कंप्यूटर सिमुलेशन को मिलाया। इसका लक्ष्य केवल नाभिक के आकार का अनुमान लगाने से आगे बढ़कर, इसके प्रोटॉन और न्यूट्रॉन एक-दूसरे के साथ कैसे सह-संबंधित (correlated) हैं, इसके सटीक और मात्रात्मक माप निकालना था। ज़ेनॉन परमाणुओं के बीच होने वाले टकरावों से उत्पन्न कणों के पैटर्न का विश्लेषण करके, और लेड (सीसा) परमाणुओं के बीच होने वाले टकरावों से तुलना करके, टीम यह निर्धारित करने में सक्षम हुई कि ज़ेनॉन-129 नाभिक एक पूर्ण गोला नहीं है, न ही एक साधारण अंडाकार है। इसके बजाय, इसमें एक जटिल, तीन-तरफा विषमता (asymmetry) है, एक ऐसा आकार जो इस विशिष्ट आइसोटोप के लिए सैद्धांतिक भविष्यवाणियों के अनुरूप है। यह उपलब्धि गुणात्मक अवलोकन से मात्रात्मक माप की ओर एक बदलाव है, जिससे वैज्ञानिक कण त्वरकों (colliders) को परमाणु नाभिक की आंतरिक ज्यामिति के मानचित्रण के लिए सटीक उपकरणों के रूप में उपयोग करने में सक्षम होते हैं।
यह प्रक्रिया उन अनूठी स्थितियों पर निर्भर करती है जो अल्ट्रा-रिलेटिविस्टिक गति पर दो भारी आयनों के टकराने पर उत्पन्न होती हैं। जब एक ज़ेनॉन नाभिक दूसरे से टकराता है, तो परस्पर क्रिया एक योक्टोसेकंड (yoctosecond) से भी कम समय में होती है, जो इतना छोटा समय है कि टक्कर के दौरान प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के भीतर हिल या पुनर्गठित नहीं हो सकते। वे उस विन्यास (configuration) में जम जाते हैं जो उन्होंने टकराव से ठीक पहले धारण किया था। इस जमी हुई स्थिति को टकराव के तल पर प्रक्षेपित किया जाता है, जिससे एक विशिष्ट ज्यामितीय पैटर्न बनता है। यह पैटर्न गर्म पदार्थ के उस गोले (fireball) को निर्धारित करता है, जिसे क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा कहा जाता है, जो कैसे फैलता और ठंडा होता है। यदि नाभिक गोल है, तो फायरबॉल समान रूप से फैलता है। यदि नाभिक खिंचा हुआ या चपटा है, तो फायरबॉल कुछ दिशाओं में अन्य दिशाओं की तुलना में अधिक फैलता है। इस फायरबॉल से निकलने वाले कणों के अंतिम प्रवाह को, विशेष रूप से वे एक-दूसरे के संबंध में कैसे चलते हैं, को मापकर, भौतिक विज्ञानी मूल नाभिक के आकार का अनुमान लगा सकते हैं।
शोधकर्ताओं ने ज़ेनॉन-129 आइसोटोप पर ध्यान केंद्रित किया, जो विकृत (deformed) होने के लिए जाना जाता है, जिसका अर्थ है कि यह एक पूर्ण गोला नहीं है। उन्होंने प्रयोगात्मक डेटा के विरुद्ध लाखों संभावित आकारों और दिशाओं का परीक्षण करने के लिए 'बेयसियन इन्फरेंस' (Bayesian inference) नामक एक सांख्यिकीय पद्धति का उपयोग किया। इस पद्धति ने उन्हें प्रयोगात्मक डेटा के साथ मिलान करने के लिए लाखों संभावित आकारों और ओरिएंटेशन का परीक्षण करने की अनुमति दी। उन्होंने पाया कि डेटा मजबूती से एक ऐसे मॉडल का समर्थन करता है जहाँ ज़ेनॉन नाभिक त्रिकोणीय (triaxial) है, जिसका अर्थ है कि इसमें तीन असमान अक्ष हैं, जो एक साधारण रग्बी बॉल या पैनकेक के बजाय थोड़े दबे हुए, अनियमित आकार जैसा दिखता है। अध्ययन ने निर्धारित किया कि यह विरूपण लगभग अधिकतम है, जिसमें लगभग 40 डिग्री का एक विशिष्ट विषमता कोण है। यह परिणाम महत्वपूर्ण है क्योंकि यह अन्य सैद्धांतिक विधियों द्वारा किए गए स्वतंत्र गणनाओं से मेल खाता है, जो पुष्टि करता है कि उच्च-ऊर्जा टकराव दृष्टिकोण उन संरचनात्मक विवरणों को विश्वसनीय रूप से निकाल सकता है जो पहले केवल कम-ऊर्जा वाले प्रयोगों के माध्यम से सुलभ थे।
केवल आकार की पुष्टि करने से परे, अध्ययन ने नाभिक के भीतर प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के बीच विशिष्ट सहसंबंधों (correlations) के पहले प्रयोगात्मक माप प्रदान किए। एक क्वांटम प्रणाली में, एक कण की स्थिति अक्सर दूसरे कण की स्थिति से जुड़ी होती है, जिसे सहसंबंध की घटना कहा जाता है। शोधकर्ता इन कणों के जोड़ों और तीन के समूहों के लिए इन कड़ियों को मापने में सक्षम रहे। उन्होंने पाया कि इन कणों की व्यवस्था टकराव के मलबे में एक विशिष्ट हस्ताक्षर (signature) बनाती है। उदाहरण के लिए, उन्होंने मापा कि नाभिक का समग्र आकार उसके आकार से कैसे संबंधित है, और एक विशिष्ट संबंध पाया जो इस आइसोटोप के लिए सत्य है। ये माप उन सिद्धांतकारों के लिए नए बेंचमार्क के रूप में कार्य करते हैं जो आधारभूत स्तर से नाभिक के निर्माण के लिए मौलिक मॉडल बनाने का प्रयास कर रहे हैं। इन सहसंबंधों के लिए ठोस संख्याएँ प्रदान करके, यह अध्ययन उन सिद्धांतों को परीक्षण करने और परिष्कृत करने का एक नया तरीका प्रदान करता है जो यह वर्णन करते हैं कि 'स्ट्रॉन्ग न्यूक्लियर फोर्स' पदार्थ को कैसे बांधता है।
इस कार्य के निहितार्थ केवल एक एकल परमाणु की संरचना तक ही सीमित नहीं हैं। उच्च-ऊजीय टकरावों से विस्तृत परमाणु संरचना निकालने की क्षमता पदार्थ के मौलिक गुणों का अध्ययन करने के लिए एक नया मार्ग खोलती है। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि उनके निष्कर्ष 'न्यूट्रिनोलेस डबल-बीटा डिके' (neutrinoless double-beta decay) की गणनाओं में सुधार करने में मदद कर सकते हैं, जो एक दुर्लभ प्रक्रिया है, यदि यह देखी जाती है, तो यह सिद्ध करेगी कि न्यूट्रिनो अपने स्वयं के एंटीपार्टिकल हैं। मूल नाभिकों में न्यूक्लियॉन्स की सटीक व्यवस्था को समझना इस क्षय (decay) की दर की भविष्यवाणी करने के लिए महत्वपूर्ण है। इसके अलावा, यहाँ विकसित तकनीकें अन्य आइसोटोप पर भी लागू की जा सकती हैं, जो संभावित रूप से परमाणु बल और चरम स्थितियों के तहत पदार्थ के व्यवहार के बारे में नए विवरण प्रकट कर सकती हैं। अध्ययन ने लेड-208 नाभिक पर भी चर्चा की, जिसमें विरूपण के एक अलग प्रकार के प्रमाण मिले जो अन्य प्रयोगों द्वारा सुझाए गए थे, जिससे इसकी संवेदनशीलता की और अधिक पुष्टि हुई।
यह शोध प्रदर्शित करता है कि लार्ज हैड्रोन कोलाइडर, जो अक्सर नए कणों और ब्रह्मांड की उत्पत्ति की खोज से जुड़ा होता है, परमाणु नाभिक के लिए एक शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी (microscope) के रूप में भी कार्य कर सकता है। टकराव को नाभिकीय विन्यास को फ्रीज करने वाले एक अचानक प्रोब के रूप में मानकर, वैज्ञानिकों ने एक विनाशकारी घटना को सटीक संरचनात्मक जानकारी के स्रोत में बदल दिया है। ज़ेनॉन-129 नाभिक के मानचित्रण में टीम की सफलता यह सुझाव देती है कि इस दृष्टिकोण का उपयोग कई अन्य आइसोटोप के ग्राउंड स्टेट्स का पता लगाने के लिए किया जा सकता है, जो परमाणु भौतिकविदों के लिए नए डेटा का भंडार प्रदान करता है। निष्कर्ष पुष्टि करते हैं कि प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की जटिल, अनेक-शरीय गतिशीलता (many-body dynamics) उच्च-ऊर्जा टकरावों के मलबे पर एक स्पष्ट और मापने योग्य छाप छोड़ती है, जो उच्च-ऊर्जा कण भौतिकी की दुनिया और कम-ऊर्जा वाली परमाणु संरचना की दुनिया के बीच के अंतर को पाटती है।
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