वैज्ञानिकों ने प्रोटॉन के अंदर झाँकने के लिए उच्च-ऊर्जा कण टकराव का उपयोग किया है, वे कण जो सभी परमाणुओं के नाभिक के अंदर बैठते हैं। इससे पहली बार पता चला है कि क्वार्क और ग्लूऑन, प्रोटॉन के निर्माण खंड, क्वांटम उलझाव की घटना का अनुभव करते हैं।
एंटैंगलमेंट क्वांटम भौतिकी का वह पहलू है जो कहता है कि दो प्रभावित कण तुरंत एक-दूसरे की “स्थिति” को प्रभावित कर सकते हैं, चाहे वे कितने भी अलग क्यों न हों – भले ही वे ब्रह्मांड के विपरीत पक्षों पर हों। अल्बर्ट आइंस्टीन ने सापेक्षता के अपने सिद्धांतों की स्थापना इस धारणा पर की कि कोई भी चीज़ प्रकाश की गति से तेज़ नहीं चल सकती, हालाँकि, कुछ ऐसा है जो चाहिए उलझाव की तात्कालिक प्रकृति को रोकें।
परिणामस्वरूप, आइंस्टीन उलझाव से इतने परेशान हो गए कि उन्होंने इसे प्रसिद्ध रूप से “स्पुखाफ़्टे फ़र्नविर्कुंग” या “दूर से डरावनी कार्रवाई” के रूप में वर्णित किया। फिर भी, उलझाव के बारे में आइंस्टीन के संदेह के बावजूद, इस “डरावनी” घटना को बार-बार सत्यापित किया गया है। उनमें से कई सत्यापनों में बढ़ती दूरी का परीक्षण करना शामिल है जिस पर उलझाव का प्रदर्शन किया जा सकता है। इस नए परीक्षण ने विपरीत दृष्टिकोण अपनाया, एक मीटर के केवल एक चौथाई भाग की दूरी पर उलझाव की जांच की, और पाया कि यह वास्तव में व्यक्तिगत प्रोटॉन के भीतर होता है।
टीम ने पाया कि उलझाव को परिभाषित करने वाली जानकारी का आदान-प्रदान एक प्रोटॉन के भीतर क्वार्क और ग्लूऑन नामक मौलिक कणों के पूरे समूहों में होता है।
टीम के सदस्य और ब्रुकहेवन लैब के भौतिक विज्ञानी झोउडुनमिंग तू ने एक बयान में कहा, “इस काम को करने से पहले, किसी ने प्रयोगात्मक उच्च-ऊर्जा टकराव डेटा में प्रोटॉन के अंदर उलझाव को नहीं देखा था।” दशकों से, हमारे पास एक पारंपरिक दृष्टिकोण रहा है क्वार्क और ग्लूऑन के संग्रह के रूप में प्रोटॉन का, और हम तथाकथित एकल-कण गुणों को समझने पर ध्यान केंद्रित कर रहे हैं, जिसमें प्रोटॉन के अंदर क्वार्क और ग्लूऑन कैसे वितरित होते हैं।
“अब, सबूत के साथ कि क्वार्क और ग्लूऑन उलझे हुए हैं, यह तस्वीर बदल गई है। हमारे पास बहुत अधिक जटिल, गतिशील प्रणाली है।”
टीम का शोध, छह साल के काम की परिणति, वैज्ञानिकों की समझ को परिष्कृत करता है कि उलझाव प्रोटॉन की संरचना को कैसे प्रभावित करता है।
उलझने से गड़बड़ हो जाती है
प्रोटॉन की आंतरिक संरचना की जांच करने के लिए, वैज्ञानिकों ने बड़े हैड्रॉन कोलाइडर (एलएचसी) जैसी सुविधाओं में हुई उच्च-ऊर्जा कण टकरावों को देखा। जब कण अत्यधिक तेज़ गति से टकराते हैं, तो अन्य कण टकराव से दूर चले जाते हैं जैसे दो वाहनों के बीच दुर्घटना से मलबा दूर चला जाता है।
इस टीम ने 2017 में विकसित एक तकनीक का उपयोग किया जो क्वांटम सूचना विज्ञान को इलेक्ट्रॉन-प्रोटॉन टकरावों पर लागू करती है ताकि यह निर्धारित किया जा सके कि उलझाव दूर जाने वाले कणों के पथ को कैसे प्रभावित करता है। यदि क्वार्क और ग्लूऑन प्रोटॉन से उलझे हुए हैं, तो यह तकनीक कहती है कि इसे बेटी कणों के स्प्रे में दिखाई देने वाले विकार, या “एन्ट्रॉपी” द्वारा प्रकट किया जाना चाहिए।
तू ने कहा, “एक बच्चे के गंदे शयनकक्ष के बारे में सोचें, जिसमें हर जगह कपड़े धोने और अन्य चीजें बिखरी हुई हैं।” “उस अव्यवस्थित कमरे में, एन्ट्रापी बहुत अधिक है।”
इसके विपरीत एक कम-एन्ट्रॉपी वाली स्थिति है जो एक साफ सुथरे और व्यवस्थित शयनकक्ष के समान है जिसमें सब कुछ अपने उचित स्थान पर व्यवस्थित है। यदि आप चाहें तो एक गन्दा कमरा उलझने का संकेत देता है।
ब्रुकहेवन लैब के सिद्धांतकार दिमित्री खारज़ीव ने बयान में कहा, “क्वार्क और ग्लूऑन की अधिकतम उलझी हुई स्थिति के लिए, एक सरल संबंध है जो हमें उच्च-ऊर्जा टकराव में उत्पन्न कणों की एन्ट्रापी की भविष्यवाणी करने की अनुमति देता है।” “हमने प्रायोगिक डेटा का उपयोग करके इस संबंध का परीक्षण किया।”
यह जांचने के लिए कि टकराव के बाद “गंदे” कण कैसे हो जाते हैं, टीम ने सबसे पहले एलएचसी पर आयोजित प्रोटॉन-प्रोटॉन टकरावों द्वारा उत्पन्न डेटा की ओर रुख किया। फिर, “क्लीनर” डेटा की खोज में, शोधकर्ताओं ने 1992 से 2007 तक हैड्रॉन-इलेक्ट्रॉन रिंग एक्सेलेरेटर (HERA) कण कोलाइडर पर किए गए इलेक्ट्रॉन-प्रोटॉन टकरावों को देखा।
यह डेटा H1 टीम और उसके प्रवक्ता के साथ-साथ डॉयचेस एलेक्ट्रोनन-सिंक्रोट्रॉन (DESY) के शोधकर्ता स्टीफन श्मिट द्वारा HERA परिणामों के माध्यम से तीन साल की खोज के बाद दिया गया था।
एन्ट्रापी गणना के साथ HERA डेटा की तुलना करने पर, टीम के परिणाम उनकी भविष्यवाणियों से पूरी तरह मेल खाते हैं, जिससे इस बात के पुख्ता सबूत मिलते हैं कि प्रोटॉन के अंदर क्वार्क और ग्लूऑन अधिकतम रूप से उलझे हुए हैं।
खारज़ीव ने कहा, “उलझन केवल दो कणों के बीच नहीं बल्कि सभी कणों के बीच होता है।” “प्रोटॉन के अंदर अधिकतम उलझाव मजबूत अंतःक्रियाओं के परिणामस्वरूप उभरता है जो बड़ी संख्या में क्वार्क-एंटीक्वार्क जोड़े और ग्लूऑन उत्पन्न करते हैं।”
प्रोटॉन के भीतर क्वार्क और ग्लूऑन के अधिकतम उलझाव के रहस्योद्घाटन से यह पता लगाने में मदद मिल सकती है कि इन मूलभूत कणों को परमाणु नाभिक के निर्माण खंडों के साथ क्या बांधे रखता है।
क्वार्क और ग्लूऑन के बीच उलझाव का विवरण उजागर करने से वैज्ञानिकों को परमाणु भौतिकी में गहरी समस्याओं पर शोध करने में मदद मिल सकती है, जैसे कि बड़े परमाणु नाभिक का हिस्सा होने से प्रोटॉन की संरचना पर क्या प्रभाव पड़ता है। उदाहरण के लिए, क्या एक प्रोटॉन को बहुत व्यस्त परमाणु वातावरण में रखने से, जो कई परस्पर क्रिया करने वाले प्रोटॉन और न्यूट्रॉन से घिरा होता है, अलग-अलग प्रोटॉन के साथ “क्वांटम डिकोहरेंस” नामक प्रक्रिया को नष्ट कर देता है?
“इस प्रश्न का उत्तर देने के लिए, हमें इलेक्ट्रॉनों को न केवल व्यक्तिगत प्रोटॉन के साथ, बल्कि नाभिक के साथ टकराने की आवश्यकता है,” तू ने कहा। “नाभिक में एम्बेडेड प्रोटॉन में उलझाव को देखने के लिए उन्हीं उपकरणों का उपयोग करना बहुत मददगार होगा – यह जानने के लिए कि कैसे यह परमाणु पर्यावरण से प्रभावित है।”
यह ब्रुकहेवन लैब के आगामी इलेक्ट्रॉन-आयन कोलाइडर (ईआईसी) द्वारा की गई प्रमुख जांचों में से एक होगी। इस प्रकार, ये परिणाम ईआईसी के लिए रोडमैप का एक महत्वपूर्ण हिस्सा हो सकते हैं, जो 2030 में परिचालन शुरू करने के लिए तैयार है।
“परमाणु वातावरण में उलझाव को देखने से निश्चित रूप से हमें इस क्वांटम व्यवहार के बारे में और अधिक पता चलेगा – यह कैसे सुसंगत रहता है या असंगत हो जाता है – और इस बारे में और जानें कि यह पारंपरिक परमाणु और कण भौतिकी घटना से कैसे जुड़ता है जिसे हम हल करने की कोशिश कर रहे हैं,” टीयू निष्कर्ष निकाला।
टीम का शोध जर्नल रिपोर्ट्स ऑन प्रोग्रेस इन फिजिक्स में प्रकाशित हुआ था।