क्वार्क ग्लूऑन प्लाज्मा. भौतिकविदों ने चुंबकीय क्षेत्र और क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा को "खोल" दिया है। अस्तित्व और प्राप्ति

अब तक, क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा का सामना केवल भौतिकविदों द्वारा दो भारी, उच्च-ऊर्जा नाभिकों की टक्कर में किया गया है। ऐसा माना जाता था कि असममित टकरावों में, जब एक बहुत हल्का नाभिक एक भारी नाभिक से टकराता है, तो क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा के लिए आवश्यक शर्तें हासिल नहीं की जा सकतीं। हालाँकि, PHENIX सहयोग ने हीलियम-3 नाभिक और सोने के टकराव का अध्ययन करते हुए दावा किया है कि प्लाज्मा यहाँ भी बनता है, लेकिन केवल छोटे, उप-परमाणु मात्रा में। ये परिणाम सिद्धांतकारों की हालिया अटकलों का समर्थन करते हैं कि यह प्रक्रिया कैसे घटित हो सकती है। सहयोग लेख पत्रिका में प्रकाशित हुआ था भौतिक समीक्षा पत्र, और इसका प्रारंभिक संस्करण इलेक्ट्रॉनिक प्रीप्रिंट संग्रह में उपलब्ध है arxiv.org.

यह कहा जाना चाहिए कि, कई प्रयोगों के बावजूद, लंबे समय तक यह स्पष्ट रूप से साबित करना संभव नहीं था कि क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा वास्तव में परमाणु टकराव में उत्पन्न होता है, भले ही दसियों योक्टोसेकंड के संक्षिप्त क्षण के लिए। यहां समस्या यह है कि, तुरंत विस्तारित और ठंडा होने पर, क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा अलग-अलग हैड्रोन में विघटित हो जाता है। वे सभी दिशाओं में उड़ जाते हैं, डिटेक्टर उन्हें पंजीकृत करता है और विस्तार की सामान्य तस्वीर को पुनर्स्थापित करता है, लेकिन यह आसानी से यह निर्धारित करने में असमर्थ है कि क्या वे तुरंत हैड्रोनिक गैस के रूप में पैदा हुए थे या क्या वे गर्म तरल के चरण से गुज़रे थे।

क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा के निर्माण का विभिन्न तरीकों से पता लगाया जा सकता है। सबसे पहले, गर्म परमाणु "बूंद" के अंदर वास्तविक हाइड्रोडायनामिक प्रवाह होना चाहिए। प्लाज़्मा के हैड्रॉन में विघटित होने के बाद, उन्हें हैड्रोनिक अण्डाकार प्रवाह और अधिक जटिल आकृतियों के प्रवाह के रूप में दिखना चाहिए (चित्र 1 और 2)। इसके और भी सूक्ष्म प्रभाव हैं, जैसे क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा को तोड़ने की कोशिश करते समय जेट का शमन, और गर्म प्लाज्मा के अंदर हैड्रोन का पिघलना।

जब 2000 के दशक की शुरुआत में RHIC हेवी आयन कोलाइडर विभिन्न नाभिकों से टकराया, तो इस पर काम करने वाले PHENIX और STAR सहयोग ने दो सोने के नाभिकों (Au + Au) की टक्कर में क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा की अभिव्यक्तियाँ देखीं, लेकिन उन्हें असममित टकराव में नहीं देखा। सोने के साथ सबसे हल्के ड्यूटेरियम नाभिक का (d+Au)। इसकी व्याख्या इस प्रकार की गई: प्लाज्मा के प्रकट होने के लिए, नाभिक में पर्याप्त ऊर्जा "संयंत्रित" करना आवश्यक है ताकि प्रोटॉन और न्यूट्रॉन नाभिक के पूरे आयतन में पिघल जाएं। Au+Au टकराव इस सीमा को पार कर जाता है, लेकिन d+Au टकराव नहीं होता।

2011-2012 में, PHENIX डिटेक्टर को महत्वपूर्ण रूप से उन्नत किया गया था, नए घटकों को जोड़कर इसे आमने-सामने की टक्करों से अधिक डेटा एकत्र करने की अनुमति दी गई, साथ ही हैड्रॉन के गुणों को बेहतर ढंग से मापने की अनुमति दी गई। 2013 में, नए डी+एयू टकराव प्रयोगों ने पहले ही सामूहिक प्रभावों के कुछ संकेत दिखाए थे जो क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा के निशान से मिलते जुलते हैं। और लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर, जिसने प्रोटॉन को सीसे के नाभिक से टकराया, ने कुछ हैड्रॉन सहसंबंधों की भी खोज की। ये सभी नए डेटा किसी भी तरह से इस सामान्य कथन से मेल नहीं खाते कि ऐसी असममित टक्करों में निकलने वाली ऊर्जा नाभिक को पिघलाने के लिए पर्याप्त नहीं होती है।

इन पूरी तरह से स्पष्ट पैटर्न पर चर्चा करते हुए, भौतिकविदों ने इस संभावना के बारे में सोचा: क्या यह पता चल सकता है कि नाभिक का पिघलना और क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा का निर्माण पूरे नाभिक में नहीं होता है, बल्कि केवल एक छोटे "गर्म क्षेत्र" में होता है। नाभिक पर प्रोटॉन के सीधे प्रभाव का स्थान? इस विचार का परीक्षण करने के लिए एक ठोस प्रस्ताव 2014 में प्रकाशित किया गया था (जे.एल. नागले एट अल., 2014. रिलेटिविस्टिक 3 हे+एयू कोलिजन्स टू डिसेंटैंगल मीडियम प्रॉपर्टीज में आंतरिक त्रिकोणीय ज्यामिति का शोषण)। लेखकों ने प्रस्तावित किया कि प्रयोगकर्ता एक भारी नाभिक के साथ प्रोटॉन, ड्यूटेरॉन और हीलियम -3 की टक्कर पर प्रयोगों की एक श्रृंखला आयोजित करते हैं और विस्तारित हैड्रोन की अज़ीमुथल विशेषताओं को मापते हैं।

यदि, जब प्रत्येक उच्च-ऊर्जा न्यूक्लियॉन नाभिक से टकराता है, तो क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा का एक चैनल वास्तव में बनता है, तो पिघलने वाला क्षेत्र चित्र में जैसा दिखेगा। 3. इसका मतलब है कि प्रोटॉन से ड्यूटेरॉन में संक्रमण के दौरान, अण्डाकार प्रवाह तेजी से बढ़ेगा, और हीलियम -3 में संक्रमण के दौरान, "त्रिकोणीय" प्रवाह बढ़ जाएगा। चित्र में. चित्र 1 सैद्धांतिक मॉडलिंग के परिणामों को दर्शाता है कि वर्तमान क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा का विस्तार कैसे होना चाहिए और इसके क्षय के बाद हैड्रोन किस गति को प्राप्त करेगा। गणना से पता चला कि ऐसा त्रिकोणीय प्रवाह दिखना चाहिए, भले ही इसे विस्तार के दौरान कोर के बिना पिघले हिस्से से गुजरना पड़े। यदि सहसंबंध क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा के निर्माण से जुड़े नहीं हैं, लेकिन उत्पन्न होते हैं, उदाहरण के लिए, टकराव से पहले नाभिक की विशेष स्थिति के कारण (जैसे, प्लाज्मा मॉडल में), तो ऐसा मजबूत पैटर्न नहीं होना चाहिए देखा।

और अभी हाल ही में, PHENIX प्रयोग ने तीन प्रस्तावित प्रयोगों की कुंजी का प्रदर्शन किया (d+Au पर डेटा पहले से ही उपलब्ध है, और p+Au पर डेटा बाद में दिखाई देगा)। 2014 में आरएचआईसी कोलाइडर में सोने के नाभिक के साथ हीलियम -3 की टक्कर के दौरान, बड़ी संख्या में कणों के उत्पादन के साथ लगभग आधा अरब घटनाएं जमा हुईं, जो आमने-सामने की टक्कर से मेल खाती हैं। अज़ीमुल्टेनियस कोण और अनुप्रस्थ गति पर उत्पादित कणों का वितरण बहुत उच्च सटीकता के साथ मापा गया था, जिससे अण्डाकार और त्रिकोणीय प्रवाह का वर्णन करने वाले घटकों की विश्वसनीय रूप से पहचान करना संभव हो गया। व्यवस्थित त्रुटियों को खत्म करने के लिए, प्रोटॉन-प्रोटॉन टकराव पर उसी कोलाइडर से पहले के परिणामों की तुलना की गई, जहां अण्डाकार और त्रिकोणीय प्रवाह नहीं होना चाहिए था।

चित्र में. चित्र 4 3 He+Au टकरावों में अण्डाकार और त्रिकोणीय प्रवाह को मापने के परिणाम दिखाता है। उनकी तीव्रता गुणांक v 2 और v 3 द्वारा विशेषता है। क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा के निर्माण और विस्तार के दौरान हाइड्रोडायनामिक प्रवाह को ध्यान में रखने वाले विभिन्न मॉडलों की भविष्यवाणियों के अनुरूप, ये दोनों गुणांक हैड्रोन के अनुप्रस्थ गति के साथ बढ़ते हैं। इन मॉडलों के बीच स्वयं कुछ अंतर हैं, लेकिन उनमें से सभी, एक को छोड़कर, प्रवृत्ति को सही ढंग से पुन: पेश करते हैं। क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा को ध्यान में रखे बिना इन आंकड़ों का वर्णन करने का प्रयास त्रिकोणीय प्रवाह के लिए बहुत कम मूल्य देगा।

प्राप्त सहमति एक मजबूत संकेत है कि उस समय जब एक आने वाला न्यूक्लियॉन - चाहे अकेले या आने वाले नाभिक के हिस्से के रूप में - उच्च ऊर्जा पर नाभिक में टकराता है, तो यह प्रभाव के बिंदु पर परमाणु पदार्थ को पिघला देता है। एक पल के लिए, क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा की एक छोटी बूंद वहां बनती है। यदि आने वाला नाभिक बड़ा होता, तो ये सभी बूंदें विलीन हो जाती हैं और पूरे नाभिक के पिघलने का कारण बनती हैं - यह वही है जो पहले देखा गया था। लेकिन भले ही नाभिक छोटा हो, जैसा कि हीलियम -3 के मामले में, स्थानीय पिघलना अभी भी होता है, उप-परमाणु पैमाने पर क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा की एक बूंद छोटी रह जाती है। इस प्रकार, सापेक्षतावादी नाभिक के टकराव की पहले से ही जटिल बहु-चरण तस्वीर एक और विवरण के साथ पूरक है।

यह सब बहुत दिलचस्प लगता है और सवाल उठाता है: न्यूनतम परमाणु प्रणाली क्या है जिसमें क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा उत्पन्न हो सकता है? सरल शब्दों में, क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा की सबसे छोटी बूंद क्या है? यदि यह 3 He+Au टकराव में होता है, तो क्या यह एक मजबूत प्रोटॉन के भारी नाभिक से टकराने से बन सकता है? और दो अति उच्च ऊर्जा वाले प्रोटॉन की टक्कर में? और अत्यधिक बड़ी संख्या में उत्पादित हैड्रॉन के साथ घटनाओं में हैड्रॉन के वितरण में वह विचित्र रिज, जिसे लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर ने 2010 में खोजा था - क्या यह निश्चित रूप से क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा के साथ किसी भी तरह से जुड़ा नहीं है?

इन सभी प्रश्नों को एक समूह में जोड़ा जा सकता है: छोटे हैड्रॉन समूहों में सामूहिक प्रभावों की उत्पत्ति के बारे में प्रश्न। वे अब भौतिकविदों की रुचि में वृद्धि कर रहे हैं; इस विषय पर PHENIX परिणामों की हालिया संक्षिप्त समीक्षा का उल्लेख करना पर्याप्त है, साथ ही यह तथ्य भी है कि हाल ही में क्वार्क मैटर 2015 सम्मेलन में मुद्दों की इस श्रृंखला को एक अलग खंड में शामिल किया गया था। PHENIX और अन्य प्रयोगों के भविष्य के परिणाम, अधिक परिष्कृत सैद्धांतिक गणनाओं के साथ मिलकर, हमें उन्हें बेहतर ढंग से समझने की अनुमति देंगे।

क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा - कंप्यूटर मॉडल

क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा पदार्थ की एक अवस्था है जिसमें पदार्थ ग्लूऑन, क्वार्क और एंटीक्वार्क का संग्रह होता है। ऐसे प्लाज्मा का निर्माण सामान्य प्लाज्मा के निर्माण के समान ही होता है।

सामान्य पदार्थ के परमाणु अधिकतर तटस्थ होते हैं, क्योंकि उनके नाभिक के आवेश की भरपाई नाभिक के चारों ओर घूमने वाले इलेक्ट्रॉन द्वारा की जाती है। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, परमाणु आयनित हो जाते हैं, जिसका अर्थ है कि इलेक्ट्रॉन अपनी कक्षा से बाहर निकलने के लिए पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त कर लेता है, जिसके परिणामस्वरूप एक अलग सकारात्मक चार्ज वाला नाभिक और नकारात्मक चार्ज वाला इलेक्ट्रॉन बन जाता है। पदार्थ की इस अवस्था को प्लाज्मा कहते हैं।

क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा के मामले में, तथाकथित "रंग" की भरपाई की जाती है। रंग क्वार्क की विशेषताओं में से एक है जो एक कण बनाते हैं - हैड्रॉन, और ग्लूऑन - जो क्वार्क को एक साथ "गोंद" करते हैं (वे मजबूत इंटरैक्शन के वाहक हैं)।

कारावास

क्वार्क और ग्लूऑन जो हैड्रोन बनाते हैं, सामान्य परिस्थितियों में स्वतंत्र अवस्था में रहने में सक्षम नहीं हैं। इसलिए, यदि आप उन्हें हैड्रॉन के आकार (10 -13 सेमी) से अधिक दूरी तक "खींचने" की कोशिश करते हैं, तो क्वार्क और ग्लूऑन की ऊर्जा तेजी से और बिना किसी सीमा के बढ़ जाती है। क्वार्क को अलग करने में असमर्थता की घटना को "कारावास" कहा जाता है, जिसका अंग्रेजी से अनुवाद "कारावास" के रूप में किया जाता है। इस घटना का वर्णन पहले उल्लिखित विशेषता - रंग का उपयोग करके किया गया है। इस प्रकार, केवल सफेद क्वार्क से बनी वस्तुएं ही स्वतंत्र अवस्था में मौजूद रह सकती हैं। उदाहरण के लिए, एक प्रोटॉन क्वार्क से बना होता है, जिसका रंग हरा, नीला और लाल होता है, जो मिलकर सफेद हो जाता है।

हालाँकि, ऐसी स्थितियाँ हैं जिनके तहत कारावास अलग तरीके से काम करता है। ऐसी स्थितियों में अति-निम्न तापमान या अति-उच्च दबाव शामिल हैं। ऐसी स्थितियों के मामले में, दो न्यूक्लियॉन (प्रोटॉन और न्यूट्रॉन का सामान्य नाम जो एक परमाणु के नाभिक को बनाते हैं) के तरंग कार्य ओवरलैप होते हैं, सरल शब्दों में - ये कण "एक दूसरे पर चढ़ते हुए" प्रतीत होते हैं। परिणामस्वरूप, क्वार्क अपने मूल न्यूक्लियॉन में अंतर करना बंद कर देते हैं और इन न्यूक्लियंस से युक्त नाभिक के पूरे आयतन में स्वतंत्र रूप से घूमना शुरू कर देते हैं। इस प्रकार, कारावास होता है, लेकिन इसके "जेल पिंजरे" की मात्रा काफी बढ़ जाती है। नतीजतन, जितने अधिक न्यूक्लियॉन स्पर्श और "ओवरलैप" करेंगे, "पिंजरे" का आकार उतना ही बड़ा होगा। ऐसी घटना स्थूल पैमाने या उससे अधिक तक पहुंच सकती है।

अस्तित्व और प्राप्ति

क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा एक दूसरे के ऊपर कई न्यूक्लियॉन के "सुपरपोजिशन" के परिणामस्वरूप उत्पन्न होता है, जिसके परिणामस्वरूप क्वार्क इन न्यूक्लियंस से बने नाभिक के आयतन के भीतर स्वतंत्र रूप से घूमते हैं। ऐसा प्लाज्मा मुख्य रूप से उच्च दबाव की स्थितियों में मौजूद होता है, जैसे कि न्यूट्रॉन सितारों के कोर में। हालाँकि, 2005 में, अमेरिकी वैज्ञानिक आरएचआईसी हेवी आयन कोलाइडर पर क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा प्राप्त करने में कामयाब रहे। इस त्वरक पर, प्रकाश की गति के 99.99% की गति से नाभिक को टकराना संभव था, टक्कर के परिणामस्वरूप, 20,000 GeV ऊर्जा जारी हुई, 10 25 -10 30 का दबाव वायुमंडलीय दबाव और तापमान था 10 9 -10 10 K हासिल किया गया। बाद में, CERN के लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर में उच्च ऊर्जा पर एक समान प्रयोग दोहराया गया।

प्रोटॉन के साथ प्रोटॉन की टक्कर में उत्पन्न कणों की संख्या में वृद्धि के साथ और अध्ययन के तहत कणों में अजीब क्वार्क की संख्या में वृद्धि के साथ, टकराव में अजीब हैड्रॉन की उपज बढ़ जाती है

एलिस (ए लार्ज आयन कोलाइडर एक्सपेरिमेंट) सहयोग से इस बात के प्रमाण मिले हैं कि लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर में प्रोटॉन टकराव से क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा का उत्पादन हो सकता है - एक सुपर-सघन और बहुत गर्म तरल जिसमें हैड्रोनिक पदार्थ के घटक स्वतंत्र रूप से घूमने में सक्षम हैं। पदार्थ की यह स्थिति बिग बैंग के बाद पहले माइक्रोसेकंड में ब्रह्मांड की विशेषता दर्शाती है। आमतौर पर, क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा का उत्पादन करने के लिए भारी नाभिक (सीसा या सोना) का उपयोग किया जाता है - ऐसा माना जाता है कि प्रोटॉन इसके लिए बहुत हल्के होते हैं। असामान्य खोज का संकेत टकरावों में उत्पन्न अजीब क्वार्क वाले कणों की अधिक संख्या से हुआ। यह अध्ययन जर्नल में प्रकाशित हुआ था प्रकृतिभौतिक विज्ञान, CERN प्रेस विज्ञप्ति में इसका संक्षेप में वर्णन किया गया है।

मानक मॉडल के अनुसार, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन, जो हमारे आस-पास के सभी सामान्य पदार्थ बनाते हैं, छोटे "बिल्डिंग ब्लॉक" से बने होते हैं - क्वार्क, ग्लूऑन फ़ील्ड द्वारा परस्पर जुड़े हुए (शब्द से) गोंद- गोंद)। लेकिन अगर किसी अणु से एक परमाणु को या परमाणु के नाभिक से प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की एक जोड़ी को तोड़ना संभव है - और इस मामले में एक स्वतंत्र, अपरिवर्तनीय कण बनता है - तो एक मुक्त क्वार्क को तोड़ना असंभव है एक प्रोटॉन. इसके लिए आवश्यक ऊर्जा बहुत अधिक हो जाती है - यह "फटे हुए" क्वार्क के बगल में एक और क्वार्क के प्रकट होने के लिए पर्याप्त है। इस घटना को कारावास कहा जाता है।

हालाँकि, यदि आप प्रोटॉन या न्यूट्रॉन में क्वार्क और ग्लूऑन की प्रणाली को बहुत अधिक अतिरिक्त ऊर्जा देते हैं - उदाहरण के लिए, इस प्रणाली को खरबों डिग्री के बराबर गर्म करते हैं, तो कारावास को दूर किया जा सकता है। उसी समय, क्वार्क एक न्यूक्लियॉन के कब्जे वाले स्थान को छोड़ना शुरू कर देंगे, जिससे क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा बनेगा। दिलचस्प बात यह है कि यह वस्तु गैस की तुलना में तरल की तरह अधिक व्यवहार करती है।

इतनी बड़ी मात्रा में ऊर्जा प्रदान करने का सबसे अच्छा तरीका दो कणों को लेना और उन्हें तेज गति से एक साथ तोड़ना है। यह इस तरह से था कि रिलेटिविस्टिक हेवी आयन कोलाइडर (आरएचआईसी) और एलएचसी पर क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा प्राप्त किया गया था। सीसा या सोने के आयन एक दूसरे से या प्रोटॉन (ड्यूट्रॉन) से टकराकर त्वरक में प्रक्षेप्य के रूप में कार्य करते थे।

क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा के निर्माण के ठोस संकेतों में से एक इसमें बनने वाले कणों की प्रकृति है - प्लाज्मा के क्षय के बाद डिटेक्टरों द्वारा उनका पता लगाया जाता है। ऐसे पदार्थ की एक बूंद में उच्च ऊर्जा के कारण, न केवल ऊपर और नीचे क्वार्क (प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के वैलेंस क्वार्क) होते हैं, बल्कि भारी - अजीब और आकर्षक क्वार्क भी होते हैं। यह पता चला है कि पैदा होने वाले कणों के बीच, यह अजीब हैड्रोन (काओन, लैम्ब्डा कण, आदि) हैं जो सबसे अधिक बार पाए जा सकते हैं, और मंत्रमुग्ध कणों का जन्म (उदाहरण के लिए, जे / ψ मेसन) की तुलना में दबा हुआ है शून्य में जन्म. चार्ज परिरक्षण जैसी प्रक्रियाएं इसके लिए जिम्मेदार हैं। उदाहरण के लिए, आप इसके बारे में और अधिक पढ़ सकते हैं।

नए काम के लेखकों ने पहली बार प्रोटॉन-प्रोटॉन टकराव में अजीब कणों की अतिरिक्त उपज की खोज की। भौतिकविदों ने लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (2009-2013) के रन 1 के दौरान एलिस डिटेक्टर द्वारा एकत्र किए गए डेटा का विश्लेषण किया - जब टकराव की ऊर्जा सात टेराइलेक्ट्रॉनवोल्ट थी। यह पता चला कि यह घटना प्रोटॉन की दुर्लभ टक्करों में देखी जाती है, जब एक ही बार में बड़ी संख्या में कण पैदा होते हैं। टकराव के परिणामस्वरूप जितने अधिक कण दिखाई देते हैं, अजीब हैड्रॉन के निर्माण की दर उतनी ही अधिक होती है, और साथ ही, लेखकों द्वारा अध्ययन किए गए एक अजीब हैड्रॉन में जितने अधिक अजीब क्वार्क होते हैं, यह पैटर्न उसके लिए उतना ही मजबूत होता है।

फेडेरिको एंटिनोरी के मुताबिक, भौतिक विज्ञानी इस खोज को लेकर काफी उत्साहित हैं। “हमने आदिम पदार्थ की स्थिति के बारे में बहुत कुछ सीखा है। "तथ्य यह है कि हमने एक ऐसी घटना की खोज की है जो आमतौर पर क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा में पाई जाती है, एक छोटी और सरल प्रणाली में - दो प्रोटॉन की टक्कर - उस स्थिति के अध्ययन के लिए एक नया आयाम खोलती है जहां से हमारा ब्रह्मांड उत्पन्न हुआ था। "

साथ ही, प्रोटॉन-प्रोटॉन टकराव में अजीब कणों की अतिरिक्त उपज की भविष्यवाणी आधुनिक सिद्धांतों द्वारा नहीं की जाती है। चूँकि सिस्टम का व्यवहार सीसे के नाभिक के साथ या प्रोटॉन के साथ टकराव के समान प्रतीत होता है, भौतिक विज्ञानी ध्यान देते हैं कि इन सभी प्रक्रियाओं के लिए एक अज्ञात तंत्र सामान्य हो सकता है।

पदार्थ के मूलभूत निर्माण खंडों का घूमता हुआ सूप सबसे शक्तिशाली बवंडर की तुलना में दस अरब ट्रिलियन गुना तेजी से घूमता है। यह भंवर गति का एक नया रिकॉर्ड है।

कण टकराव जो क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा को फिर से बनाते हैं जो प्रारंभिक ब्रह्मांड को पूरी तरह से भर देता है, दिखाता है कि इस प्राइमर्डियल सूप की बूंदें किसी भी अन्य तरल की तुलना में बहुत तेजी से घूमती हैं। न्यूयॉर्क में ब्रुकहेवन नेशनल लेबोरेटरी में स्थित रिलेटिविस्टिक हेवी आयन कोलाइडर (आरएचआईसी) के डेटा के एक नए विश्लेषण से पता चला है कि क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा के भंवर पृथ्वी पर नवजात बवंडर सुपरसेल्स में द्रव गति की भंवर गतिशीलता से अधिक हैं और यहां तक ​​कि बोल्शोई बृहस्पति के लाल धब्बे में भी परिमाण के कई क्रमों में। सुपरफ्लुइड हीलियम की नैनो बूंदों द्वारा हाल तक आयोजित किया गया घूर्णन रिकॉर्ड भी टूट गया था।

इस कार्य के परिणाम नेचर में प्रकाशित हुए थे। अब शोधकर्ताओं के लिए यह स्पष्ट हो गया है कि वे एक और रिकॉर्ड दर्ज करने में कामयाब रहे हैं, जो क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा के अद्भुत गुणों के कारण हासिल किया गया था। यह तरल पदार्थ, जो पदार्थ के मूलभूत निर्माण खंडों - क्वार्क और ग्लूऑन - से बना है, का तापमान सूर्य के केंद्र की तुलना में सैकड़ों हजारों गुना अधिक गर्म है और इसकी चिपचिपाहट बहुत कम है (या प्रवाह के प्रति प्रतिरोध)। दुनिया के प्रमुख भौतिक विज्ञानी इन घटनाओं को "लगभग पूर्ण" गुणों वाला बताते हैं। इन गुणों और उन्हें नियंत्रित करने वाले कारकों का अध्ययन करके, वैज्ञानिकों को प्रकृति में सबसे शक्तिशाली और सबसे कम समझे जाने वाले बल की तह तक पहुंचने की उम्मीद है, जो क्वार्क और ग्लूऑन को प्रोटॉन और न्यूट्रॉन में बदलने के लिए जिम्मेदार है, जो बदले में अधिकांश दृश्यमान होते हैं। ब्रह्मांड में पदार्थ.

लैम्ब्डा हाइपरॉन के प्रोटॉन (पी) और पियोन (π-) में क्षय के स्पष्ट संकेत। चूंकि प्रोटॉन अनिवार्य रूप से हाइपरॉन के स्पिन के समान संरेखण के साथ बाहर आता है, उन स्थानों को ट्रैक करके जहां प्रोटॉन सेंसर से टकराते हैं, हाइपरॉन के स्पिन का पता लगाना संभव है।

विशेष रूप से, तरल पदार्थ के भंवर, या भंवर आंदोलन को मापने के परिणामों से वैज्ञानिकों को प्लाज्मा के विभिन्न सैद्धांतिक विवरणों के बीच निर्णय लेने में मदद मिलनी चाहिए। और अधिक डेटा के साथ, वे प्लाज्मा के चुंबकीय क्षेत्र की ताकत को मापने में सक्षम होंगे, जो अन्य दिलचस्प भौतिकी घटनाओं का अध्ययन करने के लिए एक बहुत ही महत्वपूर्ण चर है।

“क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा के लक्षण वर्णन में हम हाल तक जो जानते थे, उसने हमें बताया कि यह एक गर्म तरल है जो विस्फोटक रूप से फैलता है और बहुत आसानी से बहता है। लेकिन हम इस द्रव्य को और भी विस्तृत स्तर पर समझना चाहते हैं। क्या यह इतनी जल्दी तापित हो जाता है (या संतुलन तक पहुंच जाता है) कि तरल में ही भंवर बनने लगें? और यदि यह मामला है, तो ओहियो स्टेट यूनिवर्सिटी के भौतिक विज्ञानी माइकल लिसा इन चरम भंवरों पर कैसे प्रतिक्रिया करते हैं? माइकल ने अपने स्नातक छात्र के साथ जो नया विश्लेषण किया, वह सहयोग को इन अपेक्षित परिणामों को प्राप्त करने का एक तरीका देता है।

घुमावों का संरेखण

"सिद्धांत कहता है कि यदि हमारे पास एक भंवर गति वाला तरल पदार्थ है, यानी एक घूमने वाली उपसंरचना के साथ, तो यह स्पिन के समान दिशा में उत्सर्जित होने वाले कणों के स्पिन को संरेखित करता है।"

और जबकि एक क्वार्क-ग्लूऑन द्रव में यादृच्छिक रूप से निर्देशित कई छोटे "भँवर" हो सकते हैं, औसतन उनके घूर्णन को सिस्टम के कोणीय गति (कोणीय गति) के रूप में जाना जाता है - कणों के टकराने से उत्पन्न सिस्टम के घूर्णन के साथ संरेखित किया जाना चाहिए वे प्रकाश की गति के करीब गति से एक दूसरे के पास से उड़ते हैं।

घूमते कणों और उनके कोणीय संवेग को ट्रैक करने के लिए, भौतिक विज्ञानी दो सेंसर घटकों पर एक साथ लिए गए मापों को सहसंबंधित करते हैं। पहला माप स्टार डिटेक्टर के सामने और पीछे के किनारों पर स्थित दो सेंसर का उपयोग करके किया गया था, जो एक घर के आकार का है। प्रयोग ने एक के बाद एक गुजरते समय टकराने वाले कणों के पथ में सूक्ष्म विचलन को मापा। विक्षेपण का आकार और दिशा भौतिकविदों को घटना के कोणीय गति के परिमाण और घटना किस दिशा में घटित हुई, के बारे में बताती है। स्टार डिटेक्टर स्वयं एक विशेष टाइम प्रोजेक्ट चैंबर में स्थित है, जिसमें दूसरा प्रयोग पहले के साथ-साथ हुआ था। यह कक्ष गैस से भरा होता है जो कण टकराव क्षेत्र को घेरता है, और यहां सैकड़ों या हजारों अन्य कणों के ट्रैक को ट्रैक करना संभव है जो टकराव के केंद्र से लंबवत निकलते हैं।

“विशेष रूप से, हम लैम्ब्डा हाइपरॉन की उपस्थिति के संकेतों की तलाश कर रहे हैं - घूमने वाले कण जो एक प्रोटॉन और एक पियोन में विघटित होते हैं, जिसे हम टाइम प्रोजेक्ट चैंबर में देखते हैं। क्योंकि प्रोटॉन को लगभग हाइपरॉन की स्पिन दिशा के साथ संरेखित करके बाहर निकाला जाता है, जहां वे कैमरे से टकराते हैं, उस पर नज़र रखकर, आप यह पता लगा सकते हैं कि हाइपरॉन स्पिन किस दिशा में निर्देशित है, "स्टार डिटेक्टर और लॉरेंस बर्कले नेशनल के वरिष्ठ वैज्ञानिक अर्न्स्ट सिचटरमैन ने कहा। प्रयोगशाला.

“हम इन बेटी प्रोटॉन की दिशा के लिए कुछ व्यवस्थित प्राथमिकता की तलाश कर रहे हैं, जो कि कोणीय गति के सापेक्ष एक विशेष तरीके से उन्मुख है जिसे हम सामने और पीछे के स्टार सेंसर में मापते हैं। इस पसंदीदा क्षण का परिमाण हमें भंवर गति की डिग्री, यानी क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा के घूमने का औसत स्तर बताता है।

सुपर स्पिन

नतीजे बताते हैं कि आरएचआईसी डिटेक्टर में टकराव से अब तक रिकॉर्ड की गई सबसे शक्तिशाली भंवर गति वाला तरल पदार्थ बनता है। इस तरल पदार्थ का घूमना तेज़ गति से चलने वाले बवंडर की तुलना में बहुत तेज़ है, और किसी भी प्रयोगशाला तरल पदार्थ की तुलना में तेज़ है। इस प्रकार, वैज्ञानिक इस निष्कर्ष पर पहुंचे कि यह सभी संभव तरल पदार्थों में से सबसे आदर्श तरल है, क्योंकि इसमें बहुत कम चिपचिपापन और उच्च भंवर गति है। ये डेटा यह आकलन करने के लिए भी उपयोगी होगा कि विभिन्न सिद्धांत क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा की भंवर गति के बारे में क्या भविष्यवाणी करते हैं।

“विभिन्न सिद्धांत भंवर गति की विभिन्न डिग्री के बारे में बात करते हैं, यह इस बात पर निर्भर करता है कि उनमें कौन से पैरामीटर शामिल हैं। इस प्रकार, हमारे परिणाम इन सभी सिद्धांतों को सुलझाने और यह निर्धारित करने में मदद करेंगे कि कौन से कारक सबसे अधिक प्रासंगिक हैं। इन सिद्धांतों में एक बात समान है: वे सभी भंवर गति को कम आंकते हैं। हमारे माप से पता चलता है कि यह पहले की तुलना में कहीं अधिक सक्रिय रूप से, यहां तक ​​कि तेजी से घटित होता है।''

यह खोज डीएचआईसी डिटेक्टर पर लागू कार्यक्रमों में से एक पर काम करते समय की गई थी। इसे उन श्रेणियों में टकराव ऊर्जाओं को व्यवस्थित रूप से भिन्न करने की क्षमता के कारण चुना गया था जिनमें अन्य विशेष रूप से महत्वपूर्ण घटनाएं देखी जा सकती हैं। वास्तव में, सिद्धांतों का सुझाव है कि आरएचआईसी के पास भंवर संरेखण की खोज और उसके बाद की जांच के लिए एक इष्टतम सीमा हो सकती है, क्योंकि यह प्रभाव उच्च ऊर्जा पर कम हो जाता है।

आरएचआईसी में भविष्य की टक्करों में पाए जाने वाले लैम्ब्डा हाइपरॉन की बढ़ी हुई संख्या से टकराव में उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्र की ताकत की गणना करने के लिए इन मापों का उपयोग करने की वैज्ञानिकों की क्षमता में सुधार होगा। चुंबकत्व की ताकत आवेशित कणों की गति को प्रभावित करती है क्योंकि वे आरएचआईसी टकरावों से बनते और उभरते हैं, इसलिए इसकी ताकत को मापना क्वार्क-ग्लूऑन द्रव को पूरी तरह से चिह्नित करने के लिए महत्वपूर्ण है, जिसमें यह भी शामिल है कि यह विभिन्न आवेश वाले कणों को कैसे अलग करता है।

"सिद्धांत भविष्यवाणी करता है कि भारी आयन प्रयोगों में उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्र पूरे ब्रह्मांड में किसी भी अन्य की तुलना में बहुत अधिक है।"

ब्रुकहेवन नेशनल लेबोरेटरी के अनुसार।

चित्र 1. एटलस प्रयोग में लेड आयनों की किरणों की टक्कर के दौरान एक घटना के दृश्य का एक उदाहरण

क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा का अध्ययन

एटलस प्रयोग में एमईपीएचआई समूह की दिशाओं में से एक क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा (क्यूजीपी) नामक पदार्थ की एक नई अवस्था के संकेतों की खोज है। उच्च ऊर्जा घनत्व पर, पदार्थ बनाने वाले सबसे छोटे प्राथमिक कण - क्वार्क और ग्लूऑन (क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स के नियमों द्वारा कठोरता से परस्पर जुड़े हुए) - स्पर्शोन्मुख स्वतंत्रता प्राप्त करते हैं। पदार्थ इस चरण परिवर्तन को 2,500 गीगाकेल्विन के तापमान पर कर सकता है, जो सूर्य के कोर की तुलना में 100,000 गुना अधिक गर्म है।

बड़े एंडोन कोलाडर में सीसे के नाभिकों के टकराव में, परिणामी परमाणु पदार्थ का ऊर्जा घनत्व पहले की तुलना में 30 गुना अधिक है, जो क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा के जन्म के लिए पर्याप्त हो सकता है, यानी एक ऐसी अवस्था जिसमें क्वार्क और ग्लूऑन विसंबद्धीकरण की स्थिति में हैं। पदार्थ की इस स्थिति का अध्ययन क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स (क्यूसीडी) के नियमों के गहन सत्यापन की अनुमति देता है।

MEPhI समूह वर्तमान में निम्नलिखित क्षेत्रों में अनुसंधान कर रहा है:

• पी+पीबी टकरावों में आवेशित कणों के उत्पादन की बहुलता का अध्ययन;
• पी+पीबी टकरावों में आवेशित कणों के पीटी स्पेक्ट्रा का अध्ययन;
• पीबी-पीबी टकरावों में जेड बोसॉन उत्पादन की स्केलिंग;

अनुसंधान कोलंबिया विश्वविद्यालय (यूएस), ब्रुकहेवन नेशनल लेबोरेटरी (यूएस), सीईआरएन (ईयू), वीज़मैन इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस (इज़राइल) के निकट सहयोग से किया जाता है।

सबसे महत्वपूर्ण शोध परिणाम नीचे दिए गए आंकड़ों में दिखाए गए हैं।

ईई और μμ क्षय मोड (बाएं चित्र) के लिए जेड बोसोन के पुनर्निर्माण के परिणाम एक सुपरहॉट परमाणु वातावरण द्वारा उनके उत्पादन के दमन की अनुपस्थिति की पुष्टि करते हैं।

आवेशित कणों (केंद्रीय आकृति) की बहुलता का अध्ययन प्रोटॉन-आयन टकराव का वर्णन करने वाले सैद्धांतिक मॉडल में अनिश्चितताओं को काफी कम कर सकता है।

आवेशित कणों के अनुप्रस्थ गति वितरण (सही आंकड़ा) का अध्ययन करने से हमें ग्लूऑन वितरण, साथ ही गैर-रेखीय संतृप्ति प्रभावों का अध्ययन करने की अनुमति मिलती है जो न्यूक्लियॉन (पीबी) और प्रोटॉन के तरंग कार्यों में देखे जा सकते हैं।

चित्र 2. डेटा और एमएस में Z -> ee (बाएं) और Z -> μμ (दाएं) के अपरिवर्तनीय द्रव्यमान का वितरण।

चित्र 3. द्रव्यमान प्रणाली के केंद्र में एक ऊर्जा पर पी+पीबी टकराव के कई केंद्रीयता अंतराल के लिए आवेशित कणों डीएन सीएच /डीη के मापा घनत्व का छद्म-तेज वितरण √(एस एनएन) =5.02 टीईवी

चित्र 4. द्रव्यमान प्रणाली के केंद्र में एक ऊर्जा पर p+Pb टकराव में आवेशित कणों का अपरिवर्तनीय अंतर स्पेक्ट्रा √(S NN) =5.02 TeV

सम्मेलनों में लेख और रिपोर्ट:

1. एटलस सहयोग; "एटीएलएएस डिटेक्टर के साथ √(एस एनएन)=2.76 टीवी पर पीबी-पीबी टकराव में जेड बोसोन उत्पादन का मापन"; भौतिक. रेव लेट 110, 022301 (2013)
2. एटलस सहयोग; "एटीएलएएस डिटेक्टर के साथ √(एस एनएन) = 5.02 टीईवी पर प्रोटॉन-लीड टकराव में चार्ज कण स्यूडोरैपिडिटी वितरण की केंद्रीयता निर्भरता का माप"; एटलस-कॉन्फ़-2013-096
3. एटलस सहयोग; "एलएचसी पर एटलस प्रयोग द्वारा मापी गई p+Pb √(S NN)=5.02 TeV टक्करों में आवेशित कण उत्पादन की अनुप्रस्थ गति, तीव्रता और केंद्रीयता निर्भरता"; एटलस-कॉन्फ-2013-107
4. शुल्गा, ई; "एटीएलएएस द्वारा मापी गई प्रोटॉन-लीड टकराव में आवेशित कण उत्पादन की केंद्रीयता निर्भरता"; इंट. उच्च-ऊर्जा परमाणु टकराव के प्रारंभिक चरणों पर सम्मेलन। 8-14 सितंबर 2013

संपर्क:

शुल्गा एवगेनी अलेक्जेंड्रोविच

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