⚛️ high-energy experiments

First evidence for mixing-induced $CP$ violation in B $^0_\mathrm{s}$ $\to$ J/ $\psi\,\phi$ (1020) decays in pp collisions at $\sqrt{s} =$ 13 TeV

13 TeV प्रोटॉन-प्रोटॉन टकरावों के CMS डेटा पर एक नवीन मशीन-लर्निंग-आधारित फ्लेवर-टैगिंग एल्गोरिदम का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने $\phi_\mathrm{s}$ एक कमजोर चरण (weak phase) को मापकर, जो शून्य से 3.2 मानक विचलन (standard deviations) विचलित होता है, $B^0_\mathrm{s} \to J/\psi\,\phi$ क्षय में मिक्सिंग-प्रेरित CP उल्लंघन का प्रथम प्रमाण प्राप्त किया।

मूल लेखक: CMS Collaboration

प्रकाशित 2026-05-08

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CC BY 4.0

मूल लेखक: CMS Collaboration

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

एक बड़ी तस्वीर: मशीन में एक भूत को पकड़ना

कल्पना कीजिए कि आप एक जादू का खेल देख रहे हैं। एक जादूगर (प्रकृति) एक कण जिसे $B^0_s$ मेसॉन कहा जाता है, उसे लेता है और उसे अन्य कणों के एक विशिष्ट सेट में बदल देता है: एक $J/\psi$ और एक $\phi$ ।

पार्टिकल फिजिक्स की दुनिया में, एक मौलिक नियम है जिसे CP सिमिट्री (CP symmetry) कहा जाता है। इसे एक आदर्श दर्पण के रूप में सोचें। यदि आप एक कण लेते हैं, उसे दर्पण में पलट देते हैं (उसे अपने "एंटीपार्टिकल" संस्करण में बदल देते हैं), और फिल्म को उल्टा चलाते हैं, तो भौतिकी के नियम बिल्कुल एक जैसे दिखने चाहिए। ब्रह्मांड को कण और उसके दर्पण-छवि वाले जुड़वां के साथ पूरी निष्पक्षता बरतनी चाहिए।

हालाँकि, स्टैंडर्ड मॉडल (ब्रह्मांड कैसे काम करता है, इसके हमारे वर्तमान सर्वोत्तम नियम पुस्तिका) भविष्यवाणी करता है कि कभी-कभी, ब्रह्मांड थोड़ा पक्षपाती होता है। यह कण और उसके जुड़वां के साथ थोड़ा अलग व्यवहार करता है। इस पक्षपात को CP Violation कहा जाता है।

यह पेपर CERN के CMS प्रयोग के बारे में है, जो ब्रह्मांड को इस नियम में "चीटिंग" करते हुए पकड़ रहा है। उन्होंने पहला ठोस प्रमाण पाया है कि $B^0_s$ मेसॉन और उसका जुड़वां केवल स्थिर नहीं रहते; वे आपस में मिलते हैं (mix), अपनी पहचान बदलते हैं, और थोड़े अलग दरों पर क्षय (decay) होते हैं, जिससे यह सिद्ध होता है कि प्रकृति का एक पर एक मामूली झुकाव है।

पात्रों की सूची

$B^0_s$ मेसॉन: मुख्य अभिनेता। यह एक भारी, अस्थिर कण है जो लंबे समय तक नहीं टिकता।
"मिक्सिंग" (पहचान का बदलाव): $B^0_s$ के मरने से पहले, इसकी आदत होती है कि वह अपने ही एंटीपार्टिकल में बदल जाता है और फिर वापस आ जाता है। यह एक गिरगिट की तरह है जो अंततः शांत होने और गायब होने से पहले तेजी से अपना रंग बदलता रहता है।
"वीक फेज" ( $\phi_s$ ): यह इस पेपर का मुख्य पात्र है। इसे चीटिंग का कोण (angle of the cheat) समझें। यदि ब्रह्मांड पूरी तरह से निष्पक्ष होता, तो यह कोण शून्य होता। यदि ब्रह्मांड पक्षपाती है, तो यह कोण गैर-शून्य (non-zero) है। यह पेपर इस कोण को मापता है ताकि यह देखा जा सके कि प्रकृति कितनी पक्षपाती है।
"फ्लेवर टैगर्स" (जासूस): यह जानने के लिए कि ब्रह्मांड चीटिंग कर रहा है या नहीं, आपको यह जानने की आवश्यकता है कि मिक्सिंग शुरू होने से पहले वह कण क्या था। क्या वह "पार्टिकल" था या "एंटीपार्टिकल"?
- यह पेपर एक नया, सुपर-स्मार्ट जासूसी दल (एक मशीन-लर्निंग एल्गोरिदम) पेश करता है।
- ये जासूस टक्कर से पीछे छूटे मलबे की जांच करते हैं। कुछ कणों को विपरीत दिशा में उड़ते हुए देखते हैं (Opposite-Side), जबकि अन्य मुख्य अभिनेता के साथ-साथ उड़ने वाले कणों को देखते हैं (Same-Side)।
- इन सुरागों को मिलाकर, यह टीम पहले की तुलना में बहुत अधिक सटीकता के साथ कण की मूल पहचान का अनुमान लगा सकती है।

प्रयोग: एक हाई-स्पीड फोटो शूट

वैज्ञानिकों ने CERN के CMS डिटेक्टर का उपयोग किया, जो प्रोटॉन टकरावों की तस्वीरें लेने के लिए एक विशाल कैमरे की तरह है।

डेटा: उन्होंने 96.5 "इनवर्स फेम्टोबार्न" डेटा (एक विशाल मात्रा में टकराव डेटा जो 2017 और 2018 में एकत्र किया गया था) का विश्लेषण किया।
लक्ष्य: उन्होंने विशेष रूप से उन $B^0_s$ मेसॉन्स की खोज की जो $J/\psi$ (जो दो म्यूऑन्स में बदल जाता है) और $\phi$ (जो दो केऑन्स में बदल जाता है) में क्षय (decay) होते हैं। यह एक विशिष्ट, दुर्लभ संयोजन के लेगो ब्रिक्स (Lego bricks) को खोजने जैसा है जो केवल तभी दिखाई देते हैं जब एक विशिष्ट खिलौना टूट जाता है।
परिणाम: उन्हें इन विशिष्ट, "टैग्ड" घटनाओं के लगभग 27,500 मामले मिले। इस प्रकार के दुर्लभ माप के लिए यह एक बहुत बड़ी संख्या है, जो उन्हें एक बहुत स्पष्ट चित्र प्रदान करती है।

खोज: 3.2 स्टैंडर्ड डेविएशन की "झपकी" (Wink)

इन कणों के क्षय के कोणों और समय का विश्लेषण करने के बाद, वैज्ञानिकों ने "वीक फेज" ( $\phi_s$ ) को मापा।

भविdt (Prediction): स्टैंडर्ड मॉडल ने एक बहुत छोटे, विशिष्ट कोण (लगभग -37 मिलीरेडियन) की भविष्यवाणी की थी।
मापन (Measurement): CMS टीम ने इस कोण को -75 मिलीरेडियन मापा।
महत्व (Significance): शून्य (पूर्ण निष्पक्षता) और उनके मापन के बीच का अंतर 3.2 स्टैंडर्ड डेविएशन है।

"3.2 स्टैंडर्ड डेविएशन" का क्या अर्थ है?
कल्पना कीजिए कि आप 1,000 बार सिक्का उछालते हैं। यदि सिक्का निष्पक्ष है, तो आप 500 हेड की उम्मीद करते हैं। यदि आपको 550 हेड मिलते हैं, तो यह संदिग्ध है। यदि आपको 600 मिलते हैं, तो यह बहुत संदिग्ध है।
भौतिकी में, "स्टैंडर्ड डेविएशन" इस बात का माप है कि हमें कितना आश्चर्य होना चाहिए।

1 सिग्मा: "शायद सिर्फ किस्मत।"
3 सिग्मा: "यह एक मजबूत संकेत है। हमें ध्यान देना चाहिए।" (यही वह दावा है जो पेपर करता है: पहला साक्ष्य/First Evidence)।
5 सिग्मा: "यह एक खोज (Discovery) है। हम 99.9999% निश्चित हैं।"

पेपर बताता है कि वे 3-सिग्मा स्तर तक पहुँच गए हैं। उन्होंने अभी तक "नई भौतिकी" (New Physics) की खोज नहीं की है (जिसके लिए 5 सिग्मा की आवश्यकता होती), लेकिन उन्होंने पहला ठोस प्रमाण पाया है कि इस विशिष्ट क्षय में मिक्सिंग-प्रेरित CP उल्लंघन मौजूद है। यह ब्रह्मांड की ओर से एक स्पष्ट "झपकी" (wink) है कि वह पूरी तरह से सममित (symmetrical) नहीं है।

निष्कर्ष

पेपर इस निष्कर्ष पर पहुँचता है कि:

चीटिंग असली है: $B^0_s$ मेसॉन वास्तव में मिक्स करता है और CP सिमिट्री का उल्लंघन करते हुए क्षय होता है।
संख्याएँ मेल खाती हैं: उन्होंने जितना "पक्षपात" मापा है (-75 mrad), वह पिछले 8 TeV टकरावों के डेटा के साथ मिलकर स्टैंडर्ड मॉडल की भविष्यवाणी के अनुरूप है।
अभी कोई नई भौतिकी नहीं (अभी के लिए): क्योंकि उनका परिणाम स्टैंडर्ड मॉडल की भविष्यवाणी के साथ मेल खाता है, इसलिए उन्होंने अभी तक किसी "नए कण" या "नए बल" की खोज नहीं की है। उन्होंने बस यह पुष्टि की है कि मौजूदा नियम पुस्तिका इस कठिन-से-मापने वाले क्षेत्र में सही है।

सारांश उपमा (Summary Analogy)

दो धावकों, पार्टिकल और एंटीपार्टिकल, के बीच की दौड़ की कल्पना करें।

पुरानी थ्योरी: वे बिल्कुल एक ही गति से दौड़ते हैं।
पेपर की खोज: वैज्ञानिकों ने एक नए, हाई-टेक कैमरे (मशीन-लर्निंग टैगर) का उपयोग करके उन्हें देखना शुरू किया। उन्होंने देखा कि इस विशिष्ट दौड़ में पार्टिकल, एंटीपार्टिकल की तुलना में थोड़ा तेज़ दौड़ता है।
निष्कर्ष: वे 99.9% आश्वस्त हैं कि गति का अंतर वास्तविक है (3.2 सिग्मा)। हालाँकि, गति का अंतर ठीक वैसा ही है जैसा कि नियम पुस्तिका (स्टैंडर्ड मॉडल) ने कहा था। इसलिए, उन्होंने यह तो साबित कर दिया कि धावक अलग हैं, लेकिन उन्होंने अभी तक कोई गुप्त रास्ता या नया ट्रैक (नई भौतिकी) नहीं खोजा है। उन्होंने बस यह पुष्टि की है कि नक्शा हमेशा से सही था।

तकनीकी सारांश: $B^0_s \to J/\psi \phi(1020)$ क्षय में मिक्सिंग-प्रेरित CP उल्लंघन के लिए प्रथम साक्ष्य

समस्या और प्रेरणा
$B^0_s$ मेसॉन के क्षय (decays) क्वार्क क्षेत्र में CP उल्लंघन (CPV) के संबंध में मानक मॉडल (Standard Model - SM) के पूर्वानुमानों का परीक्षण करने और $B^0_s$ मिक्सिंग प्रक्रिया में नए कणों के योगदान को खोजने के लिए एक महत्वपूर्ण जांच के रूप में कार्य करते हैं। SM में, कमजोर चरण (weak phase) $\phi_s$ , जो $B^0_s$ मिक्सिंग के साथ और बिना क्षय के बीच होने वाले CPV से उत्पन्न होता है, लगभग $-37 \pm 1$ mrad अनुमानित है। यह सटीक पूर्वानुमान $\phi_s$ को $B^0_s$ मिक्सिंग प्रक्रिया में नए कणों के योगदान का पता लगाने के लिए एक संवेदनशील अवलोकन बनाता है। जबकि पिछले प्रयोगों ने $b \to c\bar{c}s$ संक्रमणों के माध्यम से $\phi_s$ को मापा है, SM-आधारित भविष्यवाणियों से कोई स्पष्ट विचलन स्थापित नहीं किया गया था। इस अध्ययन का उद्देश्य एक बड़े डेटासेट और बेहतर विश्लेषण तकनीकों का उपयोग करके $\phi_s$ और अन्य $B^0_s$ – $\bar{B}^0_s$ मापदंडों के मापन को परिष्कृत करना है।

कार्यप्रणाली (Methodology)
यह विश्लेषण CMS प्रयोग द्वारा 2017–2018 के दौरान $\sqrt{s} = 13$ TeV के केंद्र-द्रव्यमान ऊर्जा पर एकत्र किए गए प्रोटॉन-प्रोटॉन टकराव डेटा का उपयोग करता है, जो 96.5 fb $^{-1}$ के एकीकृत ल्यूमिनोसिटी (integrated luminosity) के अनुरूप है। अध्ययन $B^0_s \to J/\psi \phi(1020) \to \mu^+\mu^- K^+K^-$ क्षय चैनल पर केंद्रित है।

इवेंट चयन और ट्रिगर्स (Event Selection and Triggers): दो स्वतंत्र ट्रिगर रणनीतियों का उपयोग किया गया: एक "म्यूऑन-टैगिंग" (MT) ट्रिगर जिसमें एक $J/\psi \to \mu^+\mu^-$ उम्मीदवार के साथ एक अतिरिक्त म्यूऑन की आवश्यकता होती है, और एक "मानक" (ST) ट्रिगर जिसमें एक विस्थापित (displaced) $J/\psi \to \mu^+\mu^-$ उम्मीदवार के साथ एक $\phi(1020) \to K^+K^-$ वर्टेक्स की आवश्यकता होती है। घटनाओं को सख्त किनेमैटिक और वर्टेक्स गुणवत्ता आवश्यकताओं के साथ चुना गया, जिसके परिणामस्वरूप लगभग 67,908 (MT) और 555,213 (ST) उम्मीदवार प्राप्त हुए।
फ्लेवर टैगिंग (Flavor Tagging): एक नवीन, मशीन-लर्निंग-आधारित फ्लेवर-टैगिंग फ्रेमवर्क विकसित किया गया, जो चार अलग-अलग एल्गोरिदम को जोड़ता है: अपोजिट-साइड (OS) म्यूऑन, OS इलेक्ट्रॉन, OS जेट, और सेम-साइड (SS) टैगिंग। OS टैगर इवेंट में दूसरे $b$ -क्वार्क के क्षय उत्पादों का उपयोग करके सिग्नल $b$ -क्वार्क के फ्लेवर का अनुमान लगाते हैं, जबकि SS टैगर सिग्नल $b$ -क्वार्क और पास के फ्रैगमेंटेशन कणों के बीच चार्ज सहसंबंधों (charge correlations) का लाभ उठाते हैं। प्रत्येक इवेंट के आधार पर मिस्टैग प्रायिकता ( $\omega_{\text{tag}}$ ) का अनुमान लगाने के लिए डीप न्यूरल नेटवर्क (DNNs) का उपयोग किया गया। प्राप्त संयुक्त टैगिंग शक्ति $P_{\text{tag}} \approx 5.6\%$ थी, जिससे टैग किए गए सिग्नल उम्मीदवारों की प्रभावी संख्या $27,500 \pm 100$ प्राप्त हुई।
एम्प्लीट्यूड विश्लेषण (Amplitude Analysis): ट्रांसवर्सिटी बेसिस (transversity basis) में एक समय- और फ्लेवर-निर्भर कोणीय विश्लेषण किया गया। विश्लेषण ने $B^0_s$ मेसॉन के क्षय कोणों ( $\theta_T, \psi_T, \phi_T$ ) और प्रोपर डिके टाइम ($ct $) को मापा। क्षय दर मॉडल में कमजोर चरण$ \phi_s $, क्षय चौड़ाई अंतर$ \Delta\Gamma_s $, औसत क्षय चौड़ाई$ \Gamma_s $, द्रव्यमान अंतर$ \Delta m_s$, प्रत्यक्ष CPV अवलोकनीय $|\lambda|$ , ट्रांसवर्सिटी एम्प्लीट्यूड ( $A_0, A_\parallel, A_\perp$ ), और स्ट्रॉन्ग फेज़ शामिल थे। गैर-अनुनादी (non-resonant) $K^+K^-$ योगदान और $B^0_s \to J/\psi f_0(980)$ क्षयों को ध्यान में रखने के लिए एक अतिरिक्त S-वेव टर्म शामिल किया गया।
सांख्यिकीय उपचार (Statistical Treatment): मापदंडों को डेटा के एक साथ अनबिनड मल्टीडायमेंशनल एक्सटेंडेड मैक्सिमम लाइकलीहुड फिट का उपयोग करके निकाला गया, जिसमें सात अवलोकनीय शामिल थे: इनवेरिएंट मास ( $m_{\mu\mu KK}$ ), प्रोपर डिके टाइम ($ct $), इसकी अनिश्चितता ($ \sigma_{ct} $), और तीन क्षय कोण, साथ ही टैगिंग अनुमान ($ \omega_{\text{tag}}$)। व्यवस्थित अनिश्चितताओं (systematic uncertainties) का मूल्यांकन सिम्युलेटेड सैंपल्स, बूटस्ट्रैप विधियों और वैकल्पिक मॉडल धारणाओं के माध्यम से व्यापक अध्ययन द्वारा किया गया।

प्रमुख योगदान (Key Contributions)

नवीन फ्लेवर-टैगिंग एल्गोरिदम: डीप न्यूरल नेटवर्क का उपयोग करके एक संयुक्त OS और SS टैगिंग फ्रेमवर्क का परिचय इस विशिष्ट क्षय चैनल के लिए फ्लेवर-टैगिंग दक्षता और शुद्धता में एक महत्वपूर्ण प्रगति का प्रतिनिधित्व करता है।
सुधारित विश्लेषण प्रक्रिया: इस विश्लेषण में पिछले CMS परिणामों की तुलना में एक व्यापक रूप से पुनर्गठित प्रक्रिया शामिल है, जिसमें बेहतर ट्रिगर पाथ और बैकग्राउंड घटकों (विशेष रूप से $B^0 \to J/\psi K^{*0}$ और कॉम्बिनेटोरियल बैकग्राउंड) का अधिक मजबूत प्रबंधन शामिल है।
सबसे बड़ा प्रभावी नमूना: यह मापन $\phi_s$ के एकल मापन के लिए उपयोग किए गए अब तक के सबसे बड़े प्रभावी टैग किए गए सिग्नल उम्मीदवारों का उपयोग करता है।

परिणाम (Results)
विश्लेषण ने कमजोर चरण को मापा:
$\phi_s = -73 \pm 22 \text{ (stat)} \pm 10 \text{ (syst) mrad}$
यह मान मानक मॉडल के पूर्वानुमानों के अनुरूप है। मापा गया $|\lambda|$ मान इकाई (unity) के अनुरूप है, जो प्रत्यक्ष CP उल्लंघन की अनुपस्थिति को दर्शाता है। अन्य सभी मापे गए भौतिक पैरामीटर ( $\Delta\Gamma_s, \Gamma_s, \Delta m_s$ , एम्प्लीट्यूड और फेज़) SM भविष्यवाणियों और पिछले विश्व-औसत मूल्यों के साथ सहमत पाए गए।

BLUE विधि का उपयोग करके पिछले CMS परिणाम ( $\sqrt{s} = 8$ TeV पर प्राप्त) के साथ संयोजन करने पर, संयुक्त कमजोर चरण है:
$\phi_s = -75 \pm 23 \text{ mrad}$
यह संयुक्त परिणाम शून्य से 3.2 मानक विचलन (standard deviations) भिन्न है।

महत्व (Significance)
पेपर का दावा है कि संयुक्त $\phi_s$ मान का शून्य से 3.2 मानक विचलन का अंतर $B^0_s \to J/\psi \phi(1020)$ क्षय में मिक्सिंग-प्रेरित CP उल्लंघन के लिए प्रथम साक्ष्य को दर्शाता है। हालांकि परिणाम मानक मॉडल के अनुरूप है, प्राप्त सटीकता CKM तंत्र के कड़े परीक्षणों की अनुमति देती है और $B^0_s$ मिक्सिंग में संभावित नए भौतिकी योगदानों पर प्रतिबंध लगाती है। यह मापन पिछले CMS परिणामों का स्थान लेता है और सटीकता में दुनिया के सबसे सटीक एकल मापन के बराबर है।