Search for events with one displaced vertex from long-lived neutral particles decaying into hadronic jets in the ATLAS muon spectrometer in $pp$ collisions at TeV
ATLAS सहयोग ने 140 fb के 13 TeV प्रोटॉन-प्रोटॉन टक्कर डेटा का उपयोग करते हुए, म्यूऑन स्पेक्ट्रोमीटर के भीतर हैड्रोनिक जेट्स में क्षय होने वाले दीर्घायु तटस्थ कणों के लिए खोज की, जिसमें पृष्ठभूमि से अधिक कोई अतिरिक्तता नहीं पाई गई और फोटो-फोबिक एक्सियन-लाइक कणों के लिए अब तक की सबसे मजबूत सीमाएं निर्धारित की गईं, साथ ही 5 सेमी से 40 मीटर के क्षय लंबाई के बीच 1% से अधिक हिग्स बोसोन ब्रांचिंग अंशों को वर्जित किया गया।
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
ब्रह्मांड नियमों के एक समूह पर बना है जिसे डिकोड करने में भौतिकविदों ने एक सदी बिता दी है, इस ढांचे को 'स्टैंडर्ड मॉडल' के रूप में जाना जाता है। यह मॉडल सफलतापूर्वक समझाता है कि ज्ञात सबसे छोटे कण कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, लेकिन यह ब्रह्मांड के कुछ सबसे बड़े सवालों को अनसुलझा छोड़ देता है। यह नहीं समझा सकता कि डार्क मैटर क्या है, पदार्थ और प्रति-पदार्थ (एंटीमैटर) के बीच अधिक पदार्थ क्यों है, या कण स्वाभाविक रूप से अपना द्रव्यमान कैसे प्राप्त करते हैं। इन अंतरालों को भरने के लिए, वैज्ञानिकों ने नए, छिपे हुए कणों के अस्तित्व का प्रस्ताव दिया है। इनमें से कई सैद्धांतिक कणों के "दीर्घजीवी" (लॉन्ग-लिव्ड) होने की भविष्यवाणी की गई है, जिसका अर्थ है कि वे अपने निर्माण के क्षण में ही गायब नहीं हो जाते। इसके बजाय, वे साधारण पदार्थ में क्षय (डिके) होने से पहले अपने निर्माण के बिंदु से एक मापने योग्य दूरी तक यात्रा करते हैं। इन मायावी यात्रियों को खोजना एक स्मारकीय खोज होगी, जो हमारी वर्तमान समझ से परे भौतिकी के लिए एक सीधा झरोखा प्रदान करेगी।
लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर में, जो फ्रांस और स्विट्जरलैंड की सीमा के नीचे दबे एक विशाल कण त्वरक (पार्टिकल एक्सेलेरेटर) में स्थित है, वैज्ञानिक प्रारंभिक ब्रह्मांड की स्थितियों को फिर से बनाने के लिए प्रोटॉन को लगभग प्रकाश की गति से आपस में टकराते हैं। एटलस (ATLAS) प्रयोग, जो टकराव बिंदु के चारों ओर स्थित विशाल डिटेक्टरों में से एक है, एक हाई-स्पीड कैमरे की तरह कार्य करता है जो इन टकरावों के मलबे को कैप्चर करता है। एक हालिया अध्ययन में, एटलस सहयोग ने एक बहुत ही विशिष्ट और असामान्य संकेत की ओर अपना ध्यान केंद्रित किया: टकराव स्थल से बहुत दूर, डिटेक्टर की बाहरी परतों के भीतर गहराई में होने वाला क्षय का एक एकल बिंदु। जबकि अधिकांश कण तुरंत क्षय हो जाते हैं या एक स्पष्ट निशान छोड़ते हैं, ये काल्पनिक दीर्घजीवी कण मीटर, कभी-कभी दस मीटर भी यात्रा करेंगे और फिर अचानक साधारण कणों के एक फुहार (स्प्रे) में बदल जाएंगे। शोधकर्ता एक "डिस्प्लेस्ड वर्टेक्स" (विस्थापित शीर्ष) की तलाश कर रहे थे, जो एक ऐसे टकराव बिंदु के लिए शब्द है जो ऐसी जगह दिखाई देता है जहाँ वास्तव में कोई टकराव नहीं हुआ था, जो यह संकेत देता कि एक छिपा हुआ कण पहले वहां तक यात्रा कर आया था।
टीम ने 2015 और 2018 के बीच एकत्र किए गए डेटा के एक विशाल हिस्से का विश्लेषण किया, जो टकराव की तीव्रता की 140 इकाइयों के अनुरूप है। उन्होंने अपना ध्यान म्यूऑन स्पेक्ट्रोमीटर पर केंद्रित किया, जो एटलस डिटेक्टर का सबसे बाहरी हिस्सा है, जो टकराव के केंद्र से तीन से चौदह मीटर की दूरी पर स्थित है। यह क्षेत्र आमतौर पर म्यूऑन्स को पकड़ने के लिए आरक्षित होता है, जो एक प्रकार का कण है जो पदार्थ की गहराइयों में प्रवेश कर सकता है। हालांकि, यदि एक दीर्घजीवी कण वहां क्षय होता है, तो यह ट्रैकों का एक समूह बनाएगा जो खाली स्थान में होने वाले एक छोटे विस्फोट जैसा दिखेगा। इन दुर्लभ घटनाओं को खोजने के लिए, वैज्ञानिकों ने विशेष कंप्यूटर एल्गोरिदम विकसित किए जो इन दूरस्थ, अलग-थलग गतिविधियों के पुनर्निर्माण में सक्षम हैं, जिससे केंद्र के बहुत करीब होने वाले साधारण कण टकरावों के अत्यधिक शोर को फ़िल्टर किया जा सके।
यह खोज कई अलग-अलग सिद्धांतों का परीक्षण करने के लिए डिज़ाइन की गई थी कि ये छिपे हुए कण क्या हो सकते हैं। कुछ सिद्धांत सुझाव देते हैं कि वे हिग्स बोसान से संबंधित हैं, वह कण जिसकी खोज 2012 में हुई थी और जो अन्य कणों को द्रव्यमान देता है। अन्य प्रस्ताव करते हैं कि वे ब्रह्मांड में पदार्थ और प्रति-पदार्थ के बीच असंतुलन से जुड़े हैं, या वे "एक्सियन-लाइक पार्टिकल" का एक प्रकार हैं जो प्रकाश के साथ बहुत कमजोर रूप से अंतःक्रिया करते हैं। शोधकर्ताओं ने उन परिदृश्यों की भी जांच की जहां ये कण Z बोसॉन नामक ज्ञात कण के साथ उत्पन्न होते हैं। इन विभिन्न संभावनाओं के बीच एक विस्तृत जाल फैलाकर, टीम यह निर्धारित कर सकती थी कि क्या इनमें से कोई भी सैद्धांतिक मॉडल उनके डेटा की वास्तविकता से मेल खाता है।
रिकॉर्ड किए गए लाखों आयोजनों (इवेंट्स) की छंटनी करने के बाद, शोधकर्ताओं को इन दीर्घजीवी कणों का कोई प्रमाण नहीं मिला। उनके द्वारा देखे गए आयोजनों की संख्या ठीक उतनी ही थी जितनी कि ज्ञात पृष्ठभूमि प्रक्रियाओं (बैकग्राउंड प्रोसेसेज) से अपेक्षित थी, जैसे कि साधारण कणों का आंतरिक परतों के माध्यम से अंदर घुसना और दूरस्थ क्षय का भ्रम पैदा करना। चूंकि कोई नया संकेत नहीं मिला, इसलिए टीम इन कणों के अस्तित्व पर सख्त सीमाएं लगाने में सक्षम रही। उन्होंने निर्धारित किया कि यदि ये कण मौजूद हैं, तो वे कई लोकप्रिय सिद्धांतों द्वारा अनुमानित दरों पर उत्पन्न नहीं हो सकते हैं। विशेष रूप से, हिग्स बोसान से जुड़े मॉडलों के लिए, उन्होंने इस संभावना को खारिज कर दिया कि हिग्स इन दीर्घजीवी कणों में एक प्रतिशत से अधिक बार क्षय होता है, उन कणों के लिए जो क्षय होने से पहले पांच सेंटीमीटर से चालीस मीटर तक कहीं भी यात्रा करते हैं।
एक्सियन-लाइक कणों से जुड़े मॉडलों के लिए, इस खोज ने अब तक के सबसे कड़े प्रतिबंध प्रस्तुत किए हैं जो कुछ दस सेंटीमीटर से अधिक यात्रा करने वाले कणों के लिए हैं। इस अध्ययन ने अपने परिणामों को एक पिछले खोज के साथ भी जोड़ा जिसने एक के बजाय दो ऐसे क्षयों की तलाश की थी, जिससे लंबी जीवन अवधि के प्रति संवेदनशीलता बढ़ गई। हालांकि खोज में वे नए कण नहीं मिले जिनकी वे तलाश कर रहे थे, लेकिन यह परिणाम ब्रह्मांड को समझने की खोज में एक महत्वपूर्ण कदम है। इन विशिष्ट संभावनाओं को समाप्त करके, वैज्ञानिकों ने भविष्य की खोजों के मार्ग को संकुचित कर दिया है, जिससे सिद्धांतकारों को यह पता चल गया है कि उन्हें कहां नहीं देखना है और अगली पीढ़ी के प्रयोगों को भौतिकी के शेष, अनछुए कोनों की ओर निर्देशित किया जा सके।
अपने क्षेत्र के पेपरों की भीड़ में उलझे हुए हैं?
आपके रिसर्च कीवर्ड से मेल खाने वाले सबसे नए और अलग सोच वाले पेपरों का रोज़ाना Digest पाएँ—तकनीकी सारांश के साथ, आपकी भाषा में।