ऑक्सीजन और नियॉन की टक्कर ने खोले शुरुआती ब्रह्मांड के पदार्थ के राज़

CERN के लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (LHC) ने शुरुआती ब्रह्मांड के पदार्थ का अध्ययन करने के लिए एक नई खिड़की खोली है। जून–जुलाई 2025 के विशेष लाइट-आयन रन में वैज्ञानिकों ने ऑक्सीजन-16 और नियॉन-20 के नाभिकों को 5.36 TeV प्रति न्यूक्लियॉन-युग्म की केंद्र-द्रव्यमान ऊर्जा पर टकराया। टक्करों के बाद बने कणों के पैटर्न ऐसे छोटे और बेहद अल्पजीवी क्वार्क–ग्लूऑन प्लाज़्मा (QGP) के निर्माण के अनुरूप थे—वह अत्यंत गर्म और घना पदार्थ जिसमें शुरुआती ब्रह्मांड में क्वार्क और ग्लूऑन प्रोटॉन तथा न्यूट्रॉन के भीतर बंद होने से पहले स्वतंत्र रूप से गतिशील थे।

यहां एक जरूरी सावधानी है: प्रयोगों ने शुरुआती ब्रह्मांड के पदार्थ का कोई बड़ा टुकड़ा नहीं बनाया और न ही प्लाज़्मा की सीधी तस्वीर ली। इसके अस्तित्व का अनुमान हर टक्कर के बाद पैदा हुए हजारों कणों में दिखाई देने वाले कई प्रभावों से लगाया गया।

इन छोटी टक्करों का महत्व क्या है?

अब तक भारी-आयन भौतिकी में सीसा जैसे बड़े नाभिकों की टक्करों का इस्तेमाल QGP बनाने और उसका अध्ययन करने के लिए किया जाता रहा है। हल्के नाभिकों की टक्कर वैज्ञानिकों को यह जांचने का अधिक सूक्ष्म अवसर देती है कि साधारण कण-टक्करों से सामूहिक, द्रव-जैसे नाभिकीय पदार्थ का व्यवहार कब उभरता है। 2025 के रन में ऑक्सीजन–ऑक्सीजन, नियॉन–नियॉन और प्रोटॉन–ऑक्सीजन टक्करें शामिल थीं, जिससे अलग-अलग आकार और ज्यामिति वाली प्रणालियों की तुलना संभव हुई।

ALICE का प्रमुख परिणाम ऑक्सीजन–ऑक्सीजन और नियॉन–नियॉन टक्करों में ज्यामिति-निर्देशित अनैसोट्रॉपिक फ्लो का अवलोकन था। बाहर निकलने वाले कण बेतरतीब ढंग से वितरित नहीं थे। उनके संवेग-पैटर्न में अंडाकार और त्रिकोणीय घटक दिखाई दिए, जिन्हें क्रमशः (v_2) और (v_3) कहा जाता है। टक्कर की केंद्रीयता के साथ इनका बदलना उन हाइड्रोडायनामिक गणनाओं से मेल खाता था, जो शुरुआती नाभिकीय ओवरलैप को फैलते हुए पदार्थ के दिशात्मक प्रवाह में बदलने का मॉडल बनाती हैं।

इसका महत्व इसलिए है क्योंकि तेजी से फैलता, प्रबल रूप से अंतःक्रिया करने वाला माध्यम टक्कर क्षेत्र के शुरुआती आकार की जानकारी को बचाए रख सकता है। दूसरे शब्दों में, टक्कर की प्रारंभिक ज्यामिति अंतिम कणों की सामूहिक गति में दर्ज हो जाती है। इससे संकेत मिलता है कि सीसा–सीसा टक्करों से कहीं छोटी प्रणालियों में भी सामूहिक व्यवहार विकसित हो सकता है।

चार प्रयोगों से मिले एक-दूसरे को मजबूत करने वाले संकेत

QGP का मामला केवल कण-प्रवाह पर निर्भर नहीं है। LHC के चार प्रमुख प्रयोगों ने अलग-अलग, लेकिन परस्पर पूरक संकेत दर्ज किए:

• ALICE: ऑक्सीजन–ऑक्सीजन टक्करों में पार्टॉन ऊर्जा-हानि के संकेत मिले। गर्म और घने माध्यम से गुजरते समय ऊर्जावान क्वार्क और ग्लूऑन अपनी ऊर्जा खो सकते हैं, इससे पता लगाने योग्य उच्च-ऊर्जा कणों का उत्पादन दब जाता है।
• ATLAS: ऑक्सीजन–ऑक्सीजन और नियॉन–नियॉन घटनाओं में आमने-सामने निकलने वाले जेट की ऊर्जाओं के बीच असंतुलन मापा गया। अधिक केंद्रीय टक्करों में यह प्रभाव बढ़ा, जहां कणों को गर्म पदार्थ के बड़े क्षेत्र से गुजरना पड़ता है।
• CMS: प्रोटॉन–प्रोटॉन संदर्भों की तुलना में ऑक्सीजन–ऑक्सीजन और नियॉन–नियॉन टक्करों में उच्च-संवेग वाले आवेशित कणों का उत्पादन कम पाया गया। अलग-अलग बंधन-ऊर्जा वाले बॉटमोनियम अवस्थाओं के क्रमिक दमन से जुड़े संकेत भी मिले।
• LHCb: नियॉन की बड़ी प्रणाली में चार्म–हल्के-क्वार्क वाले मेसॉन ऑक्सीजन प्रणाली की तुलना में अधिक दबे हुए मिले। प्रोटॉन–ऑक्सीजन और ऑक्सीजन–ऑक्सीजन आंकड़ों में बॉटमोनियम दमन से जुड़े प्रारंभिक संकेत भी रिपोर्ट किए गए।

सामूहिक फ्लो, पार्टॉन या जेट ऊर्जा-हानि, उच्च-संवेग वाले कणों का दमन और भारी क्वार्कोनियम का दमन—ये सभी QGP-जैसे व्यवहार के परस्पर मजबूत करने वाले संकेत हैं। फिर भी हर माप के पीछे अन्य संभावित प्रभावों को मॉडल बनाकर जांचना पड़ता है। इसलिए उचित निष्कर्ष यह है कि हल्के-आयन तंत्रों में QGP-जैसे व्यवहार के पक्ष में कई दिशाओं से प्रमाण मिल रहे हैं; इसे प्लाज़्मा की प्रत्यक्ष तस्वीर नहीं कहा जा सकता।

कण-प्रवाह से कैसे पता चला नाभिकों का आकार?

हल्के-आयन प्रयोगों ने LHC को अप्रत्यक्ष रूप से नाभिकीय संरचना का अध्ययन करने वाला उपकरण भी बना दिया। ऑक्सीजन-16 का नाभिक लगभग गोल माना जाता है, जबकि नियॉन-20 स्वाभाविक रूप से विकृत है और अक्सर उसे लम्बे या ‘बॉलिंग-पिन’ जैसे आकार का बताया जाता है। विकृत नियॉन नाभिक की दिशा बदलने पर दो नाभिकों की टक्कर से बनने वाले क्षेत्र का आकार भी बदल जाता है।

ALICE ने नियॉन–नियॉन और ऑक्सीजन–ऑक्सीजन टक्करों के फ्लो-पैटर्न की तुलना की। दोनों प्रणालियों में साझा प्रभावों को अनुपातों के जरिए काफी हद तक कम किया जा सकता है, जिससे शुरुआती नाभिकीय ज्यामिति और छोटे पैमाने के उतार-चढ़ाव के अंतर अधिक स्पष्ट होते हैं। मापे गए फ्लो गुणांक और केंद्रीयता के साथ उनका बदलना उन हाइड्रोडायनामिक पूर्वानुमानों से मेल खाया जिनमें ऑक्सीजन और नियॉन के वास्तविक आकार शामिल किए गए थे।

इस तरह टक्कर के मलबे ने प्रभाव से पहले मौजूद नाभिकों की एक अप्रत्यक्ष छवि उपलब्ध कराई। लगभग गोल ऑक्सीजन और विकृत नियॉन नाभिक सामूहिक विस्तार में अलग-अलग ज्यामितीय ‘हस्ताक्षर’ छोड़ते हैं, जबकि वे इतने छोटे हैं कि उन्हें सीधे तस्वीर में देखना संभव नहीं।

नाभिकीय संरचना की जांच का नया, पूरक तरीका

परंपरागत रूप से नाभिकीय विकृति का अध्ययन कम ऊर्जा पर घूर्णी बैंड, कंपन अवस्थाओं और विद्युतचुंबकीय संक्रमणों जैसे संकेतों से किया जाता है। LHC का लाइट-आयन कार्यक्रम एक उच्च-ऊर्जा तरीका जोड़ता है: नाभिकों को प्रकाश की गति के करीब टकराइए, बनने वाले प्रबल रूप से अंतःक्रियाशील पदार्थ को फैलने दीजिए और अंतिम कणों के फ्लो से शुरुआती ज्यामिति का अनुमान लगाइए।

यह कम-ऊर्जा स्पेक्ट्रोस्कोपी का विकल्प नहीं, बल्कि उसका पूरक है। यह तरीका जांचता है कि पूरे नाभिक का आकार—और संभवतः बहुत छोटे पैमाने के उतार-चढ़ाव—अत्यधिक गर्म और तेजी से फैलती प्रणाली की गतिशीलता को कैसे प्रभावित करते हैं। साथ ही, छोटे टक्कर-तंत्रों में हाइड्रोडायनामिक मॉडलों की जांच के लिए यह एक नियंत्रित वातावरण देता है, जहां ज्यामिति छोटी होती है और मॉडलिंग के विकल्पों का असर अधिक महत्वपूर्ण हो सकता है।

इस परिणाम ने दो ऐसे क्षेत्रों को जोड़ दिया है जिन्हें अक्सर अलग-अलग पढ़ा जाता है: परमाणु नाभिकों की आंतरिक संरचना और बिग बैंग के तुरंत बाद मौजूद पदार्थ के गुण।

क्या हीलियम-4 अगली सीमा तय कर सकता है?

हीलियम-4 जैसे और हल्के प्रक्षेप्यों के साथ भविष्य की टक्करें इस सीमा की जांच कर सकती हैं कि प्रणाली का आकार घटने पर सामूहिक फ्लो और ऊर्जा-हानि के संकेत कब कमजोर पड़ते हैं या पूरी तरह गायब हो जाते हैं। इससे यह समझने में मदद मिल सकती है कि QGP-जैसे व्यवहार के लिए माध्यम का न्यूनतम आकार, जीवनकाल और ऊर्जा-घनत्व कितना होना चाहिए।

ऐसे प्रयोग नाभिकीय संरचना और प्रबल अंतःक्रिया वाले पदार्थ के मॉडलों की जांच के लिए एक और ज्ञात ज्यामिति उपलब्ध कराएंगे। हालांकि उपलब्ध स्रोत हीलियम-4 के किसी निश्चित रन, समय-सारिणी या अपेक्षित संवेदनशीलता की पुष्टि नहीं करते। इसलिए इसे घोषित परिणाम नहीं, बल्कि संभावित भविष्य की दिशा के रूप में देखना चाहिए।