LHC ने आकाश से आने वाली एक समस्या को संभाला
कॉस्मिक किरणें लगातार पृथ्वी के वायुमंडल से टकराती हैं, जिससे द्वितीयक कणों की ऐसी शृंखलाएँ बनती हैं जो आकाश में फैलती हैं और ज़मीन पर लगे डिटेक्टरों से होकर गुजरती हैं। ये शॉवर्स ब्रह्मांड के कुछ सबसे ऊर्जावान कणों के बारे में जानकारी का महत्वपूर्ण स्रोत हैं, लेकिन इन्हें समझना कठिन है क्योंकि मूल टकराव भौतिकी को सटीक रूप से मॉडल करना मुश्किल है। अब ATLAS Collaboration का कहना है कि Large Hadron Collider पर प्रोटॉन-ऑक्सीजन टकराव का उसका पहला मापन इस अंतर को पाटने में मदद कर सकता है।
यह नया परिणाम उस मोड से आया है जिसे LHC ने जुलाई 2025 में पहली बार चलाया था, जब उसने प्रोटॉन किरणों को ऑक्सीजन आयन किरणों से टकराया। उस व्यवस्था में प्रोटॉन किरण एक कॉस्मिक किरण की तरह काम करती है, जबकि ऑक्सीजन किरण पृथ्वी के वायुमंडल के एक हिस्से की जगह लेती है, जो मुख्य रूप से नाइट्रोजन और ऑक्सीजन से बना है। इससे यह प्रयोग उन मूलभूत अंतःक्रियाओं को नियंत्रित तरीके से दोहराने का माध्यम बनता है जो वायुमंडलीय कण शॉवर्स को संचालित करती हैं।
कॉस्मिक-रे डेटा को समझना इतना कठिन क्यों है
आधुनिक कॉस्मिक-रे वेधशालाएँ वायुमंडल से टकराने के बाद बनने वाले शॉवर्स का पता लगाकर आने वाले कणों की प्रकृति का अनुमान लगाती हैं। लेकिन उन शॉवर पैटर्नों पर strong force का प्रभाव पड़ता है, जो प्रकृति की मूलभूत अंतःक्रियाओं में से एक है और कॉस्मिक किरणों से जुड़ी उच्च-ऊर्जा, बहु-कणीय परिस्थितियों में इसे मॉडल करना बेहद कठिन है।
CERN के अनुसार, वर्तमान simulations आपस में मेल नहीं खातीं। यह असहमति ज़मीन पर किए गए मापों से astrophysicists क्या निष्कर्ष निकाल सकते हैं, उसे सीमित करती है। यदि simulation framework ही गलत हो, तो कॉस्मिक किरणों की ऊर्जा, संरचना या स्रोत के बारे में निष्कर्ष भी विकृत हो सकते हैं।
यहीं collider डेटा उपयोगी होता है। प्रयोगशाला की टक्कर प्राकृतिक कॉस्मिक-रे घटना की हर विशेषता को दोहराती नहीं, लेकिन यह अधिक नियंत्रित परिस्थितियों में कण उत्पादन का प्रत्यक्ष मापन दे सकती है। बाद में इन मापों का उपयोग observatories द्वारा निर्भर simulation उपकरणों को परखने और सुधारने के लिए किया जा सकता है।
ATLAS ने वास्तव में क्या मापा
collaboration की preprint के अनुसार, physicists ने उन टकरावों में उत्पन्न electrically charged particles को ट्रैक करके प्रोटॉन-ऑक्सीजन टकरावों का विश्लेषण किया। उन्होंने मापा कि ऐसे कण कितनी बार बने, कितने बने, और टकराव क्षेत्र से वे किन ऊर्जाओं और कोणों पर निकले।
ऐसी जानकारी ठीक वही है जिसकी शॉवर मॉडलों को ज़रूरत होती है। कॉस्मिक-रे cascade के शुरुआती चरण इस बात से तय होते हैं कि आने वाला उच्च-ऊर्जा कण अपनी ऊर्जा को secondaries के spray में कैसे स्थानांतरित करता है। multiplicity, angular spread और energy distribution में अंतर पूरे simulated shower में फैल सकता है।
इसके बाद ATLAS ने मापी गई charged-particle distributions की तुलना उन कई simulations की भविष्यवाणियों से की जो आमतौर पर cosmic-ray observatories के डेटा की व्याख्या में उपयोग होती हैं। उद्देश्य केवल पहला मापन प्रकाशित करना नहीं, बल्कि यह पहचानना भी था कि मॉडल कहाँ मेल खाते हैं और कहाँ असफल होते हैं।
एक collider, कॉस्मिक-रे प्रयोगशाला बन गया
इस परिणाम की असाधारण ताकत अवधारणात्मक है। LHC को आम तौर पर Higgs boson या नए कणों की खोज जैसे मौलिक कण भौतिकी प्रश्नों से जोड़ा जाता है। यहाँ ATLAS एक अलग भूमिका में काम कर रहा है: astrophysics के लिए एक calibration laboratory के रूप में। यह उस वर्ग की टक्करों को, जो स्वाभाविक रूप से पृथ्वी से दसियों किलोमीटर ऊपर होती हैं, एक अधिक साफ़ वातावरण में दोहरा रहा है।
कण भौतिकी और कॉस्मिक-रे विज्ञान के बीच यह सेतु विशेष रूप से मूल्यवान है क्योंकि उच्चतम ऊर्जाओं पर प्राथमिक कॉस्मिक किरणों के प्रत्यक्ष मापन दुर्लभ और कठिन हैं। वायुमंडलीय शॉवर्स की व्याख्या में उपयोग होने वाले मॉडलों को सुधारकर, collider डेटा अप्रत्यक्ष रूप से उन निष्कर्षों को sharpen कर सकता है जो observatories इन शॉवर्स को देखकर निकालते हैं।
यह काम वायुमंडल के बारे में एक व्यावहारिक बात भी उजागर करता है। ऑक्सीजन हवा का एक प्रमुख घटक है, इसलिए प्रोटॉन-ऑक्सीजन डेटा कई standard proton-proton collider datasets की तुलना में कॉस्मिक-रे अंतःक्रियाओं के लिए अधिक सीधे प्रासंगिक है। इससे यह मापन एक सामान्य इनपुट के बजाय एक लक्ष्यित इनपुट बन जाता है।
अब आगे क्या बदलता है
वर्तमान परिणाम प्रोटॉन-ऑक्सीजन टकराव की पहली दौड़ पर आधारित है और arXiv पर पोस्ट किए गए पेपर के रूप में वर्णित है, इसलिए यह अंतिम उत्तर नहीं बल्कि शुरुआती कदम है। लेकिन यह एक नया dataset स्थापित करता है जिसका उपयोग cosmic-ray research के केंद्रीय hadronic interaction models को benchmark और सुधारने के लिए किया जा सकता है।
बेहतर मॉडल अंततः इस बात की बेहतर पुनर्रचनाएँ देंगे कि कॉस्मिक किरणें क्या हैं और कहाँ से आती हैं। यही दीर्घकालिक वैज्ञानिक लाभ है। यदि observatories अपने shower simulations पर अधिक भरोसा कर सकें, तो व्याख्या में मतभेद modelling से कम और स्रोतों की astrophysics से अधिक जुड़ेंगे।
ATLAS ने एक ही झटके में कॉस्मिक-रे पहेली को हल नहीं किया है। उसने जो किया है, वह उसकी सबसे कठिन अनिश्चितताओं में से एक पर एक नया प्रयोगात्मक आधार देना है। प्रोटॉन-ऑक्सीजन टकरावों का सीधे मापन करके collaboration ने एक particle collider को ऐसे घटनाक्रमों को समझने के उपकरण में बदल दिया है जो ग्रह से बहुत ऊपर शुरू होते हैं और हर सेकंड हमारे आसपास की हवा में समाप्त होते हैं।
यह लेख Phys.org की रिपोर्टिंग पर आधारित है। मूल लेख पढ़ें.
Originally published on phys.org
