प्रोटॉन की पहचान क्वार्क नहीं, बल्कि ग्लूऑन का Y-आकार का जंक्शन रखता है: RHIC की ऐतिहासिक खोज

दशकों से किताबों में प्रोटॉन की तस्वीर सरल थी: तीन क्वार्क ग्लूऑन से बंधे होते हैं, और प्रत्येक क्वार्क प्रोटॉन के 'बेरियन नंबर' (Baryon Number) का एक हिस्सा लेकर चलता है। बेरियन नंबर एक क्वांटम गुण है जो प्रोटॉन को स्थिर रखता है और पदार्थ को प्रतिपदार्थ (antimatter) से अलग करता है। लेकिन यह तस्वीर अब गलत साबित हो सकती है।

Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) में STAR Collaboration के नए परिणामों ने पहली बार प्रायोगिक सबूत दिया है कि प्रोटॉन का बेरियन नंबर उसके तीन 'वैलेंस क्वार्कों' (valence quarks) द्वारा नहीं, बल्कि एक Y-आकार के 'ग्लूऑन जंक्शन' (gluon junction) द्वारा वहन किया जाता है। यह ग्लूऑन फील्ड का एक नॉन-परटर्बेटिव टोपोलॉजिकल कॉन्फ़िगरेशन है ।

STAR प्रयोग ने क्या पाया

STAR टीम ने यह निर्धारित करने के लिए तीन स्वतंत्र परीक्षण डिज़ाइन किए कि बेरियन नंबर क्वार्कों के साथ यात्रा करता है या ग्लूऑन के साथ ।

1. आइसोबार टक्कर (रूथेनियम-रूथेनियम बनाम ज़िरकोनियम-ज़िरकोनियम)

दो लगभग समान परमाणु नाभिकों (जो केवल विद्युत आवेश में भिन्न हैं) को टकराने से वैज्ञानिकों ने तुलना की कि टक्कर बिंदु के पास (मिड-रैपिडिटी) कितना 'बेरियन नंबर' बनाम 'इलेक्ट्रिक चार्ज' जमा हुआ। अगर वैलेंस क्वार्क दोनों (चार्ज और बेरियन नंबर) समान रूप से वहन करते, तो नेट-बेरियन और नेट-चार्ज के अंतर का अनुपात एक सरल भविष्यवाणी का पालन करता। इसके बजाय, STAR टीम ने वैलेंस क्वार्क मॉडल की भविष्यवाणी से लगभग दोगुना बेरियन परिवहन पाया ।

2. फोटॉन-गोल्ड टक्कर

अल्ट्रा-पेरिफेरल टक्करों (ultra-peripheral collisions) में, जहां एक सोने के नाभिक से एक फोटॉन दूसरे सोने के नाभिक से टकराता है, प्रयोग ने गति की दिशा में 'नेट-प्रोटॉन उपज' (net-proton yield) को मापा। रैपिडिटी असममिति (rapidity asymmetry) उन मॉडलों की तुलना में बहुत कम स्पष्ट थी, जो क्वार्क परिवहन मानते हैं, जो फिर से एक अलग वाहक की ओर इशारा करता है ।

3. गोल्ड-गोल्ड टक्करों में नेट-प्रोटॉन उपज

RHIC में टक्कर ऊर्जा के पार, नेट-प्रोटॉन स्टॉपिंग के ढलान (slope) को एक्सपोनेंशियल पाया गया, जिसमें फिटेड पैरामीटर α_B = 0.61 ± 0.03 था। यह रेगे सिद्धांत (Regge theory) से बेरियन जंक्शन परिवहन के अनुरूप है, न कि क्वार्क-आधारित परिवहन के ।

तीनों माप एक ही निष्कर्ष पर पहुंचे: डेटा 'वैलेंस क्वार्क तस्वीर को खारिज करता है' ।

बेरियन जंक्शन: 50 साल पुरानी परिकल्पना

यह विचार कि ग्लूऑनिक टोपोलॉजी बेरियन नंबर ले जा सकती है, पहली बार 1970 के दशक में प्रस्तावित किया गया था। इस 'बेरियन जंक्शन' या 'स्ट्रिंग जंक्शन' मॉडल में, ग्लूऑन फील्ड का एक Y-आकार का कॉन्फ़िगरेशन प्रोटॉन के केंद्र में बैठता है और पूरा बेरियन नंबर (B=1) रखता है, जबकि इसका कोई विद्युत आवेश नहीं होता ।

इस दृष्टिकोण में, तीन वैलेंस क्वार्क प्रत्येक 1/3 बेरियन नंबर नहीं ले जा रहे हैं। बल्कि, वे जंक्शन से जुड़े हुए हैं जैसे शाखाएं एक तने से। जब प्रोटॉन उच्च ऊर्जा पर टकराते हैं, तो यह 'ग्लूऑन जंक्शन' उच्च-गति वाले क्वार्कों की तुलना में बहुत आसानी से रुक जाता है—इसकी ऊर्जा नए बेरियॉन में बदल जाती है जो बीमलाइन के लंबवत बाहर निकलते हैं, जबकि क्वार्क स्वयं आगे बढ़ते रहते हैं ।

यह ग्लूऑनिक पदार्थ की व्यापक समझ के लिए क्यों मायने रखता है

यह खोज मौलिक भौतिकी को कई तरह से नया आकार देती है:

• ग्लूऑन एक संरक्षित क्वांटम संख्या के वाहक के रूप में: ग्लूऑन अब केवल 'गोंद' नहीं हैं जो क्वार्कों को बांधते हैं। वे एक संरक्षित क्वांटम गुण के प्राथमिक स्थान के रूप में कार्य कर सकते हैं, जो सामान्य पदार्थ की संरचना में ग्लूऑनिक पदार्थ को अधिक प्रत्यक्ष भूमिका देता है ।

• पदार्थ-प्रतिपदार्थ विषमता के सुराग: बेरियन नंबर परिवहन प्रारंभिक ब्रह्मांड में एक महत्वपूर्ण प्रक्रिया है। यह समझना कि बेरियन नंबर कैसे वहन और रोका जाता है, पदार्थ-प्रतिपदार्थ विषमता की समस्या पर एक मजबूत प्रायोगिक पकड़ प्रदान करता है ।

• विदेशी QCD कॉन्फ़िगरेशन: परिणाम बेरियोनियम ग्लूबॉल्स (baryonium glueballs) और ग्लूऑनिक 'बकीबॉल' (gluonic buckyballs) जैसे विदेशी राज्यों के सैद्धांतिक अस्तित्व का समर्थन करता है, जो पूरी तरह से ग्लूऑन से बने कॉन्फ़िगरेशन हैं जो बिना किसी वैलेंस क्वार्क के बेरियन नंबर ले जाएंगे ।

आगे क्या

RHIC में STAR डिटेक्टर को अलग करने का काम चल रहा है, इन परिणामों की और जांच की जाएगी। ब्रुकहेवन में आगामी इलेक्ट्रॉन-आयन कोलाइडर (EIC), जो पदार्थ की ग्लूऑनिक संरचना को और अधिक बारीकी से जांचने के लिए डिज़ाइन किया गया है, इन निष्कर्षों का पूरक माप के साथ परीक्षण करने में सक्षम होगा ।

फिलहाल, प्रोटॉन की पहचान शुद्ध ग्लूऑन क्षेत्र की एक Y-आकार की गाँठ पर टिकी हुई प्रतीत होती है—एक अनुस्मारक कि सबसे परिचित कणों में भी गहरे आश्चर्य छिपे हैं।