जेट्स: क्वार्क और ग्लून्स की अभिव्यक्तियाँ

क्वार्क्स, ग्लून्स, और एंटीकार्क्स प्रोटॉन, न्यूट्रॉन और (हॉर्डियन द्वारा) अन्य घटकों के घटक हैं। हमारी दुनिया की एक अद्भुत भौतिक संपत्ति यह है कि जब इन कणों में से एक को एक हैड्रॉन से बाहर खटखटाया जाता है और उच्च ऊर्जा के साथ उड़ता है, तो यह स्थूल रूप से अचूक रहता है। इसके बजाय, एक उच्च-ऊर्जा क्वार्क (या तो ग्लूऑन या एंटीकार्क) हैड्रॉन (क्वार्क, एंटीकार्क और ग्लून्स से युक्त कण) के "स्प्रे" में बदल जाता है। इन स्प्रे को "स्प्रे" कहा जाता है। ध्यान दें कि यह क्वार्क के पांच सबसे हल्के रंगों के लिए सही है, लेकिन एक जेट में दिखाई देने से पहले डब्ल्यू कण और निचले क्वार्क में क्षय करने वाले ऊपरी क्वार्क के लिए नहीं।

लेख में, मैं मोटे तौर पर वर्णन करूंगा कि उच्च-ऊर्जा क्वार्क, एंटीक्वार्क और ग्लून्स से जेट कैसे और क्यों दिखाई देते हैं।

क्वार्कों का यह व्यवहार, चार्ज किए गए लेप्टोन, न्यूट्रिनो, फोटॉन और अन्य के व्यवहार से अलग है, इस तथ्य से उपजा है कि क्वार्क और ग्लून्स मजबूत परमाणु बातचीत के अधीन हैं, जबकि अन्य कण इसके अधीन नहीं हैं। दो कणों के बीच अधिकांश इंटरैक्शन बढ़ती दूरी के साथ कमजोर हो जाते हैं। उदाहरण के लिए, दो ग्रहों के बीच गुरुत्वाकर्षण का अंतर उनके बीच की दूरी के वर्ग के साथ उलटा पड़ता है। एक ही दो आरोपित वस्तुओं के बीच विद्युत संपर्क के लिए किया जाता है, यह दूरी के एक वर्ग के रूप में भी पड़ता है। आप स्वयं गुब्बारे को रगड़ सकते हैं, इसे स्थैतिक बिजली से चार्ज कर सकते हैं, और फिर इसे अपने सिर पर ला सकते हैं। यदि आप इसे करीब लाते हैं, तो आपके बाल अंत में खड़े होंगे, लेकिन यदि आप गेंद को आगे बढ़ाते हैं तो यह प्रभाव जल्दी से गायब हो जाता है।

मजबूत परमाणु संपर्क, हालांकि यह कम दूरी पर बढ़ता है और लंबी दूरी पर घटता है (हालांकि बिजली के रूप में तेज़ नहीं है - यह संपत्ति मजबूत बातचीत के इतिहास को समझने के लिए महत्वपूर्ण है), लेकिन एक मीटर के एक अरबवें हिस्से के दस लाखवें क्रम के दूरी पर घटने के लिए रहता है - प्रोटॉन की त्रिज्या का क्रम जो परमाणु की त्रिज्या से 100,000 गुना छोटा है। और यह एक दुर्घटना नहीं है - यह प्रभाव वास्तव में प्रोटॉन के आकार को निर्धारित करता है। ग्लोन क्षेत्र द्वारा उत्पन्न यह इंटरैक्शन स्थिर हो जाता है। और इसका मतलब है कि अगर आप प्रोटॉन से क्वार्क को खींचने की कोशिश करते हैं, जैसा कि अंजीर में है। 1, आप पाएंगे कि इसे खींचना आसान नहीं है, जबकि आप इसे और आगे बढ़ाते हैं। रबर बैंड को खींचने के लिए संवेदना लगभग तुलनीय है। सिवाय इसके कि यह रबर बैंड किसी बिंदु पर आंसू जाएगा। एक बार टेप में पर्याप्त ऊर्जा जमा हो गई है, तो प्रकृति आपको खींचने के बजाय इसे दो में फाड़ना पसंद करेगी। और जब यह टूटता है, तो एक हैड्रॉन (प्रोटॉन) के बजाय आपको दो मिलते हैं: एक प्रोटॉन या एक न्यूट्रॉन प्लस (आमतौर पर) एक शेर। क्वार्क / एंटिकार्क जोड़ी को तोड़ने के क्षण में एक निश्चित तरीके से बनता है - टेप तनाव के रूप में ऊर्जा को क्वार्क और एंटीक्वार्क की बड़े पैमाने पर ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है, साथ ही कुछ अतिरिक्त ग्लून्स की गति की एक निश्चित ऊर्जा। ऊर्जा की बचत होती है: आपने प्रोटॉन के द्रव्यमान ऊर्जा के साथ शुरू किया, प्रोटॉन के तनाव में ऊर्जा को जोड़ा, और दो हैड्रोन के द्रव्यमान की ऊर्जा प्राप्त की (बिना किसी खींच के)। इलेक्ट्रिक चार्ज भी बच जाता है, जिससे आपको या तो न्यूट्रल पियोन और प्रोटोन मिलते हैं, या पॉजिटिव चार्ज पियोन और न्यूट्रॉन।


अंजीर। 1: यदि आप मैजिक चिमटी का उपयोग करके प्रोटॉन से क्वार्क को खींचने की कोशिश करते हैं, तो प्रोटॉन पहले विकृत हो जाएगा और फिर दो हैड्रोन में विभाजित हो जाएगा। क्वार्क को मुक्त करने का आपका प्रयास विफल हो जाएगा, और खर्च की गई ऊर्जा दूसरे हैड्रॉन के द्रव्यमान की ऊर्जा में बदल जाएगी।

क्या होता है जब एक उच्च-ऊर्जा क्वार्क एक प्रोटॉन से बाहर खटखटाया जाता है? उदाहरण के लिए, एक तेजी से बढ़ने वाला इलेक्ट्रॉन एक प्रोटॉन में दुर्घटनाग्रस्त हो जाता है, क्वार्क को जोर से मारता है, जिससे इसे पूरे प्रोटॉन की द्रव्यमान ऊर्जा से अधिक ऊर्जा मिलती है?

मोटे तौर पर बोलना - मैं विशेषज्ञों से कहूँगा कि इस कथन का एक भाग भोला और थोड़ा विचलित करने वाला होगा, लेकिन बाद में मैं इसे सही करूँगा - ठीक वैसा ही जैसा कि अंजीर में दिखाया गया है। 1, लेकिन बड़े पैमाने पर। क्वार्क इतनी तेजी से आगे बढ़ता है कि जो रबर बैंड दिखाई देता है उसमें आंसू और बहुत ज्यादा खिंचाव नहीं होता है - अंजीर के मध्य को देखें। 2. परिणामस्वरूप, एक स्थान पर टूटने और दो हड्रोन बनाने के बजाय, यह कई स्थानों पर टूट जाता है और कई हैड्रॉन (मुख्य रूप से peonies और kaons (peonies के समान, लेकिन एक अजीब क्वार्क या एंटीकार्क) और eta mesons होते हैं) बनाता है, या, कम सामान्यतः, प्रोटॉन, न्यूट्रॉन, एंटीप्रोटोन या एंटीन्यूट्रॉन)। वे सभी कमोबेश एक ही दिशा में जाएंगे। नतीजतन, हमारे पास हैड्रोन स्प्रे होंगे, जिनमें से अधिकांश मूल क्वार्क की दिशा में उड़ेंगे। वहाँ तुम्हारे पास है।


अंजीर। 2

उच्च-ऊर्जा क्वार्क की प्रारंभिक ऊर्जा अब जेट में हैड्रोन के बीच विभाजित हो गई थी। लेकिन पर्याप्त रूप से उच्च ऊर्जा (10 GeV या अधिक) की क्वार्क के लिए, ऊर्जा का एक छोटा सा अंश नए हैड्रोन की बड़े पैमाने पर ऊर्जा के गठन में शामिल है; इसका अधिकांश हिस्सा उनके आंदोलन की ऊर्जा में चला जाता है। नतीजतन, जेट की कुल ऊर्जा और दिशा प्रारंभिक ऊर्जा और क्वार्क की दिशा के समान है। जेट के सभी हैड्रनों की गति की ऊर्जा और दिशा को मापने और एक पूरे के रूप में जेट की गति की ऊर्जा और दिशा का निर्धारण करने से कण भौतिकविदों को प्रारंभिक क्वार्क की गति की ऊर्जा और दिशा का एक अच्छा अनुमान मिलता है।

एंटिकार्क्स के लिए भी यही सच है, और, उच्च-ऊर्जा ग्लूओं के लिए मामूली संशोधन के साथ।

मैं यह नोट करना चाहता हूं कि कोई भी गणना नहीं कर सकता है कि यह प्रक्रिया कैसे होती है। हम जानते हैं कि मैंने आपको क्या कहा था, सैद्धांतिक गणना, सैद्धांतिक अंतर्दृष्टि और डेटा के दशकों के संयोजन के परिणामस्वरूप - विभिन्न स्रोतों से विस्तृत डेटा - जो आमतौर पर दिखाते हैं कि यह कहानी लगभग उसी तरह है। और हमारे पास इसमें आत्मविश्वास होने के कारण हैं। मजबूत परमाणु इंटरैक्शन के सिद्धांत के हमारे बहुत सटीक परीक्षण अन्यथा बहुत असफल होंगे।

नोट: इस गम जैसी वस्तु को उच्च ऊर्जा भौतिकी के विशेषज्ञों द्वारा क्यूसीडी स्ट्रिंग (क्यूसीडी, या क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स के रूप में संदर्भित किया जाता है, मजबूत परमाणु बातचीत का वर्णन करने वाले समीकरण हैं)। ऐतिहासिक रूप से, हमारे द्वारा देखे गए प्रकृति में हैड्रोन के व्यवहार को समझने की कोशिश कर रहे हैं (इससे पहले कि भौतिक विज्ञानी क्यूसीडी के साथ आए और ग्लून्स की खोज की, और जब क्वार्क्स इतनी अच्छी तरह से समझ में नहीं आए), सिद्धांतवादी 1960 के दशक के अंत में स्ट्रिंग सिद्धांत के साथ आए। केवल बाद में यह स्पष्ट हो गया कि इस प्रारंभिक स्ट्रिंग सिद्धांत में स्ट्रिंग वास्तविक चीज थी, भौतिकी का हिस्सा। और बाद में भी यह स्पष्ट हो गया कि क्यूसीडी स्ट्रिंग्स को मानक स्ट्रिंग सिद्धांत का उपयोग करके पर्याप्त रूप से वर्णित नहीं किया जा सकता है। थोड़ी देर के लिए, यह एक विफलता माना जाता था जब तक कि Scherk और Schwartz ने संकेत दिया कि स्ट्रिंग सिद्धांत क्वांटम गुरुत्वाकर्षण (और शायद सभी मौलिक कणों) का वर्णन करने के लिए बेहतर अनुकूल हो सकता है। और स्ट्रिंग सिद्धांत विशेषज्ञों ने एक अलग दिशा में सेट किया। और हाल ही में यह स्पष्ट हो गया है कि मानक स्ट्रिंग सिद्धांत का उपयोग करके कुछ अप्रत्याशित कैसे किया जा सकता है ताकि यह बेहतर हो (सही नहीं, लेकिन बहुत बेहतर) क्यूसीडी स्ट्रिंग्स का वर्णन करता है। दुर्भाग्य से, वह अभी भी घृणित रूप से जेट का वर्णन करती है।

जाहिर है, अभी भी बहुत कुछ है जो मजबूत परमाणु बातचीत के बारे में कहा जा सकता है।


अंजीर। 3

अब मुझे उस अशुद्धि को ठीक करने दें जो अंजीर में अनुमत है। 2. मैंने एक महत्वपूर्ण चरण छोड़ दिया है। किसी भी त्वरित कण की तरह एक प्रभावित क्वार्क, उत्सर्जन करेगा। अचानक एक त्वरित इलेक्ट्रॉन फोटॉन का उत्सर्जन करेगा; अचानक त्वरित क्वार्क ग्लून्स (और फोटॉन भी निकलेंगे, लेकिन वे बहुत छोटे हैं)। यह अंजीर में ऊपरी दाहिने हिस्से में दिखाया गया है। 3. इसलिए, वास्तव में, एक तेज क्वार्क नहीं (चित्र 3, मध्य बाएं में) प्रोटॉन के किनारे पर दिखाई देता है, लेकिन फास्ट ग्लून्स का एक सेट प्लस एक तेज क्वार्क। नतीजतन, हैड्रॉन जेट (छवि 3, नीचे) के गठन की प्रक्रिया अंजीर की तुलना में अधिक जटिल है। 2, हालांकि परिणाम कमोबेश वही है। लेकिन जेट का आकार वास्तव में इस बात से निर्धारित होता है कि क्वार्क प्रोटॉन छोड़ने से पहले ग्लूअन कैसे उत्सर्जित होते हैं। क्वार्क द्वारा ग्लून्स के उत्सर्जन की प्रक्रिया की गणना की जा सकती है! इसलिए, मजबूत परमाणु संपर्क के लिए समीकरणों का उपयोग करते हुए, कोई भी जेट के अधिक गुणों की गणना कर सकता है, जितना कि भोले चावल के आधार पर लग सकता है। 2. इन गणनाओं को डेटा द्वारा सत्यापित किया गया था, जिसके परिणामस्वरूप मजबूत परमाणु बातचीत का वर्णन करने के समीकरणों की जाँच की गई थी।