वैज्ञानिक मेसन माप के लिए भविष्यवाणियों की गणना करते हैं

“ईआईसी का मौलिक विज्ञान लक्ष्य यह समझना है कि मेसॉन और अधिक परिचित प्रोटॉन और न्यूट्रॉन सहित हैड्रॉन के गुण, उनके घटक क्वार्क और ग्लूऑन के वितरण से कैसे उत्पन्न होते हैं,” ब्रुकहेवन लैब के सिद्धांतकार स्वागतो मुखर्जी, जिन्होंने अनुसंधान का नेतृत्व किया, ने कहा। सबसे हल्का मेसॉन, पियोन, परमाणु मजबूत बल में एक आवश्यक भूमिका निभाता है, जो परमाणु नाभिक में प्रोटॉन और न्यूट्रॉन को बांधता है। पियोन, प्रोटॉन और अन्य हैड्रोन के रहस्यों की जांच करके, ईआईसी वैज्ञानिकों को यह जानने में मदद करेगा कि परमाणुओं से बनी हर चीज किस तरह एक साथ चिपकी रहती है।

नई भविष्यवाणियाँ, अभी-अभी प्रकाशित हुईं भौतिक समीक्षा पत्रईआईसी के निर्माण में ब्रुकहेवन के भागीदार, डीओई के थॉमस जेफरसन नेशनल एक्सेलेरेटर फैसिलिटी (जेफरसन लैब) में कम-ऊर्जा प्रयोगों से माप के साथ अच्छी तरह से मेल खाता है, और नई सुविधा में प्रयोगों के लिए नियोजित उच्च-ऊर्जा शासन में विस्तार करता है। ये भविष्यवाणियाँ महत्वपूर्ण हैं क्योंकि 2030 के दशक की शुरुआत में ईआईसी प्रयोग शुरू होने पर ये तुलना के लिए एक आधार प्रदान करेंगे।

लेकिन निष्कर्ष एकल ईआईसी माप के लिए अपेक्षाओं को स्थापित करने से कहीं आगे जाते हैं। जैसा कि पेपर में वर्णित है, वैज्ञानिकों ने कण गुणों को समझने के लिए व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले दृष्टिकोण को मान्य करने के लिए अतिरिक्त स्वतंत्र सुपरकंप्यूटर गणनाओं के साथ-साथ अपनी भविष्यवाणियों का उपयोग किया। यह दृष्टिकोण, जिसे कारकीकरण के रूप में जाना जाता है, जटिल भौतिक प्रक्रियाओं को दो घटकों या कारकों में तोड़ देता है। गुणनखंडन के सत्यापन से कई अधिक ईआईसी भविष्यवाणियां और प्रयोगात्मक परिणामों की अधिक विश्वसनीय व्याख्याएं संभव हो सकेंगी।

हैड्रोन में झाँकना

हैड्रोन की आंतरिक संरचना की जांच करने के लिए, ईआईसी उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉनों को प्रोटॉन या परमाणु नाभिक से टकराएगा। आभासी फोटॉन, या इलेक्ट्रॉन से उत्सर्जित प्रकाश के कण, हैड्रॉन के गुणों को प्रकट करने में मदद करते हैं – पदार्थ के निर्माण खंडों के लिए एक माइक्रोस्कोप की तरह।

ईआईसी में टकराव विभिन्न भौतिक बिखरने की प्रक्रियाओं का सटीक माप प्रदान करेगा। इन सटीक मापों को हैड्रोन के भीतर पदार्थ के निर्माण खंडों की उच्च-रिज़ॉल्यूशन छवियों में बदलने के लिए, वैज्ञानिक कारककरण पर भरोसा करते हैं। यह सैद्धांतिक दृष्टिकोण प्रयोगात्मक माप को तोड़ता है – उदाहरण के लिए, मेसॉन में विद्युत आवेशों का वितरण – दो घटकों में ताकि वैज्ञानिक तीसरे के बारे में जानकारी का अनुमान लगाने के लिए प्रक्रिया के दो हिस्सों के ज्ञान का उपयोग कर सकें।

एक गणितीय समीकरण के बारे में सोचें जहां X = Y × Z है। पूर्ण मान, X – प्रायोगिक माप – दो कारकों, Y और Z से बना हो सकता है। हैड्रॉन. दूसरा कारक, Z, टकराने वाले इलेक्ट्रॉन द्वारा उत्सर्जित उच्च-ऊर्जा आभासी फोटॉन के साथ उन क्वार्क और ग्लूऑन की बातचीत का वर्णन करता है।

हैड्रोन के अंदर क्वार्क और ग्लूऑन के बीच मजबूत अंतःक्रिया के कारण क्वार्क/ग्लूऑन वितरण की गणना करना बहुत मुश्किल है। उन गणनाओं में मजबूत इंटरैक्शन के सिद्धांत द्वारा वर्णित अरबों चर शामिल हैं, जिन्हें क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स (क्यूसीडी) के रूप में जाना जाता है। क्यूसीडी समीकरणों को हल करने के लिए आमतौर पर शक्तिशाली सुपर कंप्यूटर का उपयोग करके एक काल्पनिक अंतरिक्ष-समय जाली पर इंटरैक्शन का अनुकरण करने की आवश्यकता होती है।

दूसरी ओर, आभासी फोटॉन के साथ क्वार्क और ग्लूऑन की अंतःक्रिया अपेक्षाकृत कमजोर होती है। इसलिए, सिद्धांतकार उन मूल्यों को प्राप्त करने के लिए “पेन-ऑन-पेपर” गणना का उपयोग कर सकते हैं। फिर वे समीकरण को हल करने और हैड्रॉन के अंदर क्वार्क और ग्लूऑन के वितरण के दृश्य पर पहुंचने के लिए प्रयोगात्मक माप (या अनुमानित माप) और उन कारकों के बीच गणितीय संबंध के साथ संयुक्त इन सरल गणनाओं का उपयोग कर सकते हैं।

“लेकिन क्या यह वास्तव में काम करता है – एक घटना को इन दो कारकों में अलग करना?” ब्रुकहेवन लैब के न्यूक्लियर थ्योरी ग्रुप में विजिटिंग ग्रेजुएट छात्र क्यूई शी ने पूछा। “हमें यह साबित करने की ज़रूरत थी कि ऐसा होता है।”

ऐसा करने के लिए, वैज्ञानिकों ने गुणनखंडन को उल्टा चलाया। “हमने इसे पलट दिया,” शी ने कहा।

समूह में पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ता शी और जियांग गाओ ने मेसॉन (उपरोक्त समीकरण में वाई) में क्वार्क-एंटीक्वार्क वितरण की गणना करने के लिए सुपर कंप्यूटर और स्पेस-टाइम जाली सिमुलेशन का उपयोग किया। फिर उन्होंने फोटॉन (जेड) के साथ क्वार्क/ग्लूऑन इंटरैक्शन की सरल “पेन-ऑन-पेपर” गणना का उपयोग किया और प्रयोगात्मक माप (एक्स) के लिए अनुमानित मूल्य खोजने के लिए गणित किया – मेसॉन के अंदर चार्ज वितरण।

अंत में, वैज्ञानिकों ने इन नई भविष्यवाणियों की तुलना उन भविष्यवाणियों से की जो उन्होंने एक अलग सुपरकंप्यूटर गणना का उपयोग करके की थीं – जो कम ऊर्जा पर जेफरसन लैब माप से मेल खाती थीं। दो भविष्यवाणियों की तुलना करके – एक गुणनखंडन का उपयोग करके गणना की गई और एक जाली सिमुलेशन दृष्टिकोण का उपयोग करके स्वतंत्र रूप से गणना की गई – वे परीक्षण कर सकते हैं कि क्या गुणनखंडन ऐसी समस्याओं को हल करने का एक वैध तरीका है।

रिवर्स फ़ैक्टराइज़ेशन गणना उनके सुपरकंप्यूटर-गणना की गई भविष्यवाणियों से पूरी तरह मेल खाती है।

“इस मामले में, हम जाली का उपयोग करके हर चीज़ की पूरी तरह से गणना कर सकते हैं,” शी ने कहा। “हमने इस विशिष्ट मामले को चुना क्योंकि हम स्वतंत्र गणनाओं का उपयोग करके समीकरण के बाएँ और दाएँ दोनों पक्षों की गणना कर सकते हैं ताकि यह दिखाया जा सके कि गुणनखंडन काम करता है।”

अब, वैज्ञानिक अन्य ईआईसी वेधशालाओं की भविष्यवाणी और विश्लेषण करने के लिए कारककरण का उपयोग कर सकते हैं, तब भी जब एक पक्ष की सीधे गणना नहीं की जा सकती है।

समूह के नेता और पेपर के सह-लेखक पीटर पेट्रेस्की ने कहा, “यह काम दिखाता है कि कारकीकरण दृष्टिकोण काम करता है।” “वैज्ञानिक अब हैड्रोन में अन्य अधिक जटिल क्वार्क और ग्लूऑन वितरण का अनुमान लगाने के लिए भविष्य के ईआईसी डेटा और फ़ैक्टराइज़ेशन का उपयोग कर सकते हैं जिनकी गणना नहीं की जा सकती – यहां तक ​​कि सबसे शक्तिशाली कंप्यूटर और परिष्कृत तकनीकों का उपयोग करके भी।”

इस शोध को डीओई विज्ञान कार्यालय (एनपी) द्वारा समर्थित किया गया था और आर्गोन लीडरशिप कंप्यूटिंग सुविधा, ओक रिज लीडरशिप कंप्यूटिंग सुविधा और राष्ट्रीय ऊर्जा अनुसंधान वैज्ञानिक कंप्यूटिंग केंद्र – सभी डीओई विज्ञान उपयोगकर्ता सुविधाओं के कार्यालय में कंप्यूटर समय के पुरस्कारों का उपयोग किया गया था। क्रमशः डीओई की आर्गोन नेशनल लेबोरेटरी, डीओई की ओक रिज नेशनल लेबोरेटरी, और डीओई की लॉरेंस बर्कले नेशनल लेबोरेटरी में। गणनाएँ आंशिक रूप से यूएस लैटिस क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स (यूएसक्यूसीडी) सहयोग की सुविधाओं पर भी की गईं।