Search for quantum black hole production in lepton+jet final states using proton-proton collisions at = 13 TeV with the ATLAS detector
ATLAS डिटेक्टर द्वारा = 13 TeV पर एकत्र किए गए 140 fb प्रोटॉन-प्रोटॉन टक्कर डेटा का उपयोग करते हुए, इस अध्ययन ने लेप्टॉन+जेट अंतिम अवस्थाओं में क्वांटम ब्लैक होल का कोई प्रमाण नहीं पाया, जिससे Arkani-Hamed-Dimopoulos-Dvali मॉडल में 8.8 TeV और Randall-Sundrum मॉडल में 6.3 TeV की निचली द्रव्यमान सीमा निर्धारित की गई।
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ब्रह्मांड, जैसा कि हम इसे समझते हैं, कणों और बलों की एक नींव पर बना है, जिसे मानक मॉडल (Standard Model) के रूप में जाना जाता है। यह सिद्धांत सफलतापूर्वक समझाता है कि पदार्थ कैसे व्यवहार करता है और परस्पर क्रिया करता है, फिर भी यह एक गहरे अनसुलझे रहस्य को छोड़ देता है: गुरुत्वाकर्षण अन्य मूलभूत बलों की तुलना में इतना अविश्वसनीय रूप से कमजोर क्यों है? जबकि एक चुंबक पृथ्वी के संपूर्ण गुरुत्वाकर्षण खिंचाव के विरुद्ध एक पेपरक्लिप को उठा सकता है, गुरुत्वाकर्षण प्रकृति के अन्य बलों की तुलना में एक आश्चर्यजनक अंतर से सबसे कमजोर बना हुआ है। इस असंतुलन को दूर करने के लिए, कुछ भौतिकविदों ने प्रस्तावित किया है कि गुरुत्वाकर्षण शायद हमारे द्वारा अनुभव किए जाने वाले अंतरिक्ष के तीन आयामों तक सीमित नहीं है। इसके बजाय, यह छिपे हुए, अतिरिक्त आयामों में रिस सकता है जो देखने के लिए बहुत छोटे हैं। यदि ये अतिरिक्त आयाम मौजूद हैं, तो वे उस ऊर्जा स्तर को कम कर देंगे जिसकी आवश्यकता गुरुत्वाकर्षण को मजबूत होने के लिए होती है, जिससे यह संभावित रूप से उन तरीकों से प्रकट हो सकेगा जिन्हें हम पहचान सकें।
इस परिदृश्य में, यदि दो कण पर्याप्त ऊर्जा के साथ टकराते हैं, तो वे केवल एक-दूसरे से टकराकर वापस नहीं लौट सकते; वे क्षणिक रूप से एक सूक्ष्म, क्षणभंगुर वस्तु बना सकते हैं जिसे क्वांटम ब्लैक होल कहा जाता है। आकाशगंगाओं के केंद्रों में पाए जाने वाले विशाल ब्लैक होल के विपरीत, जो इतने भारी होते हैं कि वे अपने आस-पास की हर चीज़ को निगल लेते हैं, ये क्वांटिक संस्करण सूक्ष्म होंगे और लगभग तुरंत गायब हो जाएंगे। वे तुरंत अन्य कणों के छिड़काव में क्षय हो जाएंगे। प्रश्न यह है कि क्या हम उनके गायब होने से पहले उन क्षणभंगुर क्षणों की एक झलक पकड़ सकते हैं। यदि हम उन्हें पा सकते हैं, तो यह प्रत्यक्ष प्रमाण होगा कि अतिरिक्त आयाम मौजूद हैं और गुरुत्वाकर्षण हमारे रोजमर्रा के संसार की तुलना में सूक्ष्म स्तरों पर अलग तरह से व्यवहार करता है।
जेनेवा के पास भूमिगत स्थित एक विशाल कण त्वरक, लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (Large Hadron Collider) में, वैज्ञानिक प्रारंभिक ब्रह्मांड की चरम स्थितियों को फिर से बनाने के लिए प्रोटॉन को लगभग प्रकाश की गति से आपस में टकराते हैं। एटलस (ATLAS) डिटेक्टर, जो एक कैथेड्रल के आकार की एक विशाल मशीन है, इन टकरावों के मलबे को रिकॉर्ड करता है। एक हालिया अध्ययन में, एटलस सहयोग ने इन क्वांटम ब्लैक होल के विशिष्ट सिग्नेचर की खोज करने के लिए 140 इनवर्स फेम्टोबार्न (inverse femtobarns) की एकीकृत ल्यूमिनोसिटी के अनुरूप डेटा का उपयोग किया। वे एक बहुत ही विशिष्ट घटना की तलाश कर रहे थे: एक ऐसा टकराव जो एक उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉन या म्यूऑन (इलेक्ट्रॉन का एक भारी संबंधी) को कणों की एक जेट के साथ जोड़ता है। जिन मॉडलों का शोधकर्ताओं ने परीक्षण किया था, उनमें एक क्वांटम ब्लैक होल बनेगा और फिर ठीक इसी संयोजन में क्षय होगा: एक लेप्टॉन और एक क्वार्क, जिसमें बाद वाला एक जेट के रूप में दिखाई देगा।
टीम ने कुल ऊर्जा, या इनवेरिएंट मास (invariant mass), के इलेक्ट्रॉन-जेट और म्यूऑन-जेट युग्मों पर ध्यान केंद्रित करते हुए डेटा का विश्लेषण किया। यदि एक क्वांटम ब्लैक होल बनाया गया होता, तो यह एक विशिष्ट उच्च द्रव्यमान पर घटनाओं की संख्या में अचानक उछाल के रूप में दिखाई देता, जो साधारण कण अंतःक्रियाओं के सुचारू, अनुमानित बैकग्राउंड के मुकाबले स्पष्ट रूप से उभरता। शोधकर्ताओं ने उस क्षेत्र में इन उछालों की तलाश की जहाँ द्रव्यमान 2.0 TeV से अधिक था, जो एक ऐसा थ्रेशोल्ड (threshold) है जो यह सुनिश्चित करने के लिए पर्याप्त ऊँचा है कि वे ज्ञात प्रक्रियाओं के बजाय नई भौतिकी की तलाश कर रहे हैं। उन्होंने डेटा का अत्यंत सावधानी से परीक्षण किया, ऊर्जा मापन के तरीके से लेकर एक साथ होने वाले कई टकरावों के सूक्ष्म प्रभावों तक, त्रुटि या बैकग्राउंड शोर के हर संभावित स्रोत का हिसाब रखा।
परिणाम ज्ञात ब्रह्मांड की एक स्पष्ट और सुसंगत तस्वीर थी। डेटा बिंदुओं का वितरण अपेक्षित अनिश्चितताओं के भीतर मानक मॉडल के भविष्यवाणियों के साथ मेल खाता था। कोई अप्रत्याशित उछाल नहीं था, न ही घटनाओं का कोई अचानक उछाल था जिसे क्वांटम ब्लैक होल के निर्माण के कारण माना जा सके। देखा गया डेटा बिल्कुल वैसा ही था जैसा वैज्ञानिक साधारण कणों के परस्पर क्रिया करने पर देखने की उम्मीद करते हैं। इन संकेतों की अनुपस्थिति अपने आप में एक महत्वपूर्ण खोज है। यह शोधकर्ताओं को यह निर्धारित करने की अनुमति देता है कि ये क्वांटम ब्लैक होल संभावित रूप से कितने भारी हो सकते हैं। उन्होंने निर्धारित किया कि यदि ये वस्तुएं मौजूद हैं, तो छह अतिरिक्त आयामों वाले मॉडल में वे 8.8 TeV से भारी होनी चाहिए, और एक अतिरिक्त आयाम वाले मॉडल में 6.3 TeV से भारी होनी चाहिए।
ये नई सीमाएं पिछले खोजों की तुलना में एक पर्याप्त सुधार का प्रतिनिधित्व करती हैं। जो संभव है उसे पता लगाने की सीमा को आगे बढ़ाकर, यह अध्ययन प्रभावी रूप से उन निम्न द्रव्यमान श्रेणियों में क्वांटम ब्लैक होल के अस्तित्व को खारिज करता है जो पहले सुलभ थीं। यह हमें बताता है कि यदि प्रकृति इन अतिरिक्त आयामों और संबंधित क्वांटम ब्लैक होल को छिपा रही है, तो वे उन ऊर्जाओं पर छिपे हैं जो अब तक हमारे पहुँच से भी अधिक ऊँची हैं। खोज जारी है, लेकिन फिलहाल के लिए, ब्रह्मांड एटलस डिटेक्टर द्वारा खोजे गए ऊर्जा रेंज में इन विशिष्ट क्वांटम वस्तुओं की उपस्थिति पर मौन बना हुआ है। मानक मॉडल मजबूती से खड़ा है, और इसकी नींव में दरारें खोजने की खोज को अब और भी उच्च ऊर्जाओं की ओर बढ़ना होगा।
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