⚛️ high-energy experiments

Search for the Higgs boson decay to a $Z$ boson and a photon in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV and $13.6$ TeV with the ATLAS detector

13 TeV और 13.6 TeV पर प्रोटॉन-प्रोटॉन टकरावों के ATLAS डिटेक्टर डेटा का उपयोग करते हुए, यह अध्ययन हिग्स बोसॉन के एक Z बोसॉन और एक फोटॉन में दुर्लभ क्षय की खोज करता है, जिसमें डेटासेट को संयोजित करने पर मानक मॉडल भविष्यवाणियों के अनुरूप परिणाम प्राप्त हुए हैं, जिसमें 2.5 मानक विचलन का प्रेक्षित महत्व पाया गया है।

मूल लेखक: ATLAS Collaboration

प्रकाशित 2026-07-10

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CC BY 4.0

मूल लेखक: ATLAS Collaboration

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ब्रह्मांड की कल्पना एक विशाल, ब्रह्मांडीय पिनबॉल मशीन के रूप में करें। वर्षों से, वैज्ञानिक एक बहुत ही विशिष्ट, दुर्लभ गेंद को खोजने की कोशिश कर रहे हैं जो फ्लिपर्स से एक अजीब तरीके से टकराती है: एक हिग्स बोसोन (Higgs boson) जो एक Z बोसोन और एक फोटॉन में विभाजित होता है। यह एक जादू के खेल को देखने जैसा है जहाँ एक अकेला सिक्का अचानक एक भारी सोने के सिक्के और प्रकाश की एक चमक में बदल जाता है। यह जादू 'स्टैंडर्ड मॉडल' (भौतिकी की नियम पुस्तिका) के अनुसार होना चाहिए, लेकिन इसे खोजना एक महाद्वीप जितने बड़े समुद्र तट पर एक विशिष्ट रेत के कण को खोजने जैसा है।

बड़ी खोज
ATLAS टीम, जो लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (LHC) में एक विशाल डिटेक्टर नामक ATLAS के साथ काम करने वाले वैज्ञानिकों का एक बड़ा समूह है, इस दुर्लभ घटना की तलाश करने के लिए निकल पड़ी। उन्होंने केवल पुराने डेटा को नहीं देखा; उन्होंने 13.6 TeV की रिकॉर्ड-तोड़ ऊर्जा पर होने वाले प्रोटॉन टकरावों से निकले ताज़ा नंबरों को प्रोसेस किया। उन्होंने डेटा का एक विशाल भंडार एकत्र किया, जो 165 इनवर्स फेम्टोबार्न (एक इकाई जिससे उन्होंने टकराव के डेटा को इकट्ठा किया) के बराबर है, जिसे 2022 और 2024 के बीच रिकॉर्ड किया गया था।

अपनी खोज को आसान बनाने के लिए, उन्होंने पूरे समुद्र तट को एक साथ नहीं देखा। उन्होंने एक परिष्कृत छंटनी मशीन बनाई। उन्होंने एक स्मार्ट कंप्यूटर एल्गोरिदम (जिसे XGBoost कहा जाता है) का उपयोग किया जो एक बहुत ही बुद्धिमान बाउंसर की तरह कार्य करता है, जो "कूल" घटनाओं को "बोरिंग" बैकग्राउंड शोर से अलग करता है। उन्होंने टकरावों को 13 अलग-अलग श्रेणियों में वर्गीकृत किया, जैसे कि अलग-अलग प्रकार की रेत को अलग-अलग बाल्टियों में डालना। कुछ बाल्टियाँ अतिरिक्त कणों वाली घटनाओं के लिए थीं, और अन्य विशिष्ट ऊर्जा प्रवाहों के लिए। इससे उन्हें सिग्नल को अधिक स्पष्ट रूप से देखने में मदद मिली।

परिणाम: एक इशारा, न कि एक पुकार
संख्याओं को चलाने के बाद, टीम को कुछ दिलचस्प मिला, लेकिन यह पूरी तरह से "यूरेका!" वाला क्षण नहीं था। उन्होंने एक सिग्नल स्ट्रेंथ (मान लीजिए कि हम इसे $\mu$ कहते हैं) मापी, जो 0.9 थी, जिसकी अनिश्चितता सीमा +0.7 और -0.6 थी।

इसका क्या अर्थ है? नियम पुस्तिका (स्टैंडर्ड मॉडल) भविष्यवाणी करती है कि इस सिग्नल स्ट्रेंथ को ठीक 1.0 होना चाहिए। टीम का 0.9 का परिणाम 1.0 के बहुत करीब है। यह लक्ष्य के केंद्र पर निशाना साधने और उसके ठीक बाहर के घेरे पर लगने जैसा है। डेटा "संगत" (compatible) है, जिसका अर्थ है कि नियम पुस्तिका अभी भी कायम है।

हालाँकि, टीम ने यह भी देखा कि वे इस बारे में कितने निश्चित थे कि यह केवल एक संयोग नहीं है। उन्होंने एक "महत्व" (significance) की गणना की जो 1.4 मानक विचलन (या 1.4 $\sigma$ ) था। कण भौतिकी की दुनिया में, एक "संयोग" को खोज कहलाने के लिए कम से कम 5 मानक विचलन की आवश्यकता होती है। 1.4 पर, यह एक "शायद" या एक "संकेत" जैसा है। टीम को 1.5 का महत्व मिलने की उम्मीद थी, इसलिए उनका परिणाम वैसा ही था जैसा उन्होंने सोचा था। उन्हें कोई नया कण या टूटी हुई नियम पुस्तिका नहीं मिली; उन्होंने बस पाया कि ब्रह्मांड बिल्कुल वैसा ही व्यवहार कर रहा है जैसा कि स्टैंडर्ड मॉडल कहता है, यहाँ तक कि इस दुर्लभ कोने में भी।

महान संयोजन
टीम वहीं नहीं रुकी। उन्होंने अपने नए 2022-2024 के डेटा को अपने पुराने 2015-2018 (रन 2) के डेटा के साथ मिला दिया, जिसमें 13 TeV पर 140 इनवर्स फेम्टोबार्न का डेटा था। जब उन्होंने इन दो विशाल डेटासेट्स को आपस में मिलाया, तो तस्वीर थोड़ी स्पष्ट हो गई।

संयोजित सिग्नल स्ट्रेंथ 1.3 आई, जिसकी अनिश्चितता +0.6 और -0.5 थी। संयुक्त परिणाम का महत्व उछलकर 2.5 मानक विचलन हो गया। हालाँकि यह पहले से अधिक है, फिर भी यह किसी खोज का दावा करने के लिए पर्याप्त नहीं है। यह शोर भरे कमरे में एक फुसफुसाहट सुनने जैसा है; आप पक्का हैं कि कोई बात कर रहा है, लेकिन आप अभी तक शब्दों को पूरी तरह से समझ नहीं पा रहे हैं। टीम स्पष्ट रूप से कहती है कि यह माप स्टैंडर्ड मॉडल की अपेक्षा के अनुरूप है। उन्हें नए भौतिक विज्ञान (new physics) के प्रमाण नहीं मिले, जैसे कि अतिरिक्त छिपे हुए कण या अजीब बल जो हिग्स क्षय (decay) को प्रभावित कर रहे हों।

उन्होंने क्या खारिज किया (और क्या नहीं)
यह पेपर हिग्स के Z बोसोन और एक फोटॉन में क्षय होने के अस्तित्व को "खारिज" नहीं करता है, वास्तव में, वे यह साबित करने की कोशिश कर रहे हैं कि यह मौजूद है! वे केवल इस विचार को खारिज करते हैं कि यह क्षय स्टैंडर्ड मॉडल की भविष्यवाणी से बहुत अलग दर पर होता है। उनका डेटा बताता है कि यदि कोई नए, विलक्षण (exotic) कण हैं जो इस क्षय में बाधा डाल रहे हैं (जैसे कि क्वांटम लूप्स में दौड़ने वाले अतिरिक्त चार्ज स्केलर या फर्मियॉन), तो वे इस मात्रा के डेटा के साथ देखे जाने लायक दर को नहीं बदल रहे हैं।

उन्हें कोई "नया" हिग्स बोसोन या अलग प्रकार के कण भी नहीं मिले। उन्होंने जिस हिग्स का द्रव्यमान उपयोग किया था, वह 125.09 GeV पर स्थिर था, और उनके परिणाम इस ज्ञात द्रव्यमान के भीतर पूरी तरह फिट बैठते हैं।

निष्कर्ष
ATLAS टीम ने इस दुर्लभ क्षय के लिए अब तक की सबसे संवेदनशील खोज की है। उन्हें एक सिग्नल मिला जो काफी हद तक स्टैंडर्ड मॉडल द्वारा की गई भविष्यवाणी जैसा दिखता है। देखा गया सिग्नल स्ट्रेंथ (सभी डेटा को मिलाने पर) 1.3 है, जो अपेक्षित 1.0 के करीब है। सांख्यिकीय महत्व 2.5 मानक विचलन है, जो एक मजबूत संकेत है लेकिन प्रमाण नहीं है।

सरल शब्दों में: ब्रह्मांड नियमों के अनुसार खेल रहा है। हिग्स बोसोन बिल्कुल वैसा ही कर रहा है जैसा कि नियम पुस्तिका कहती है, भले ही वह एक Z बोसोन और एक फोटॉन में विभाजित हो रहा हो। हालाँकि यह नए भौतिक विज्ञान की कोई "बड़ी खोज" नहीं है, लेकिन यह इस बात की महत्वपूर्ण पुष्टि है कि ब्रह्मांड के बारे में हमारी वर्तमान समझ ठोस है। खोज जारी है, और भविष्य में आने वाले और अधिक डेटा के साथ, वैज्ञानिक उम्मीद करते हैं कि वे उस "शायद" को "निश्चित रूप से" में बदल देंगे।

तकनीकी सारांश: ATLAS डिटेक्टर के साथ $\sqrt{s}=13$ TeV और 13.6 TeV पर pp कोलिजन में $Z$ बोसॉन और एक फोटॉन में हिग्स बोसॉन के क्षय की खोज

समस्या और प्रेरणा
स्टैंडर्ड मॉडल (SM) भविष्यवाणी करता है कि हिग्स बोसॉन ( $H$ ), एक लूप-प्रेरित प्रक्रिया के माध्यम से $Z$ बोसॉन और एक फोटॉन ( $H \to Z\gamma$ ) में क्षय होता है। जबकि इसका ब्रांचिंग रेशियो लगभग $1.54 \times 10^{-3}$ के आसपास अनुमानित है, जो $H \to \gamma\gamma$ चैनल के समान है, इस विश्लेषण से पूर्व इस क्षय को निर्णायक रूप से स्थापित नहीं किया गया था। एक लूप-प्रेरित प्रक्रिया होने के नाते, $H \to Z\gamma$ की दर नए भौतिकी (new physics) के योगदान के प्रति संवेदनशील है, जैसे कि अतिरिक्त आवेशित स्केलर, फर्मियॉन या वेक्टर बोसॉन, जो लूप योगदान को बदल सकते हैं। इसके अतिरिक्त, कंपोजिट हिग्स परिदृश्य या वैकल्पिक सिमेट्री-ब्रेकिंग सेक्टर काफी भिन्न ब्रांचिंग अंश (branching fractions) दे सकते हैं। $Z(\to \ell\ell)\gamma$ अंतिम अवस्था ( $\ell = e, \mu$ ) कुशल ट्रिगरिंग, स्पष्ट बैकग्राउंड भेदभाव और उत्कृष्ट इनवेरिएंट मास रेजोल्यूशन के कारण इस खोज के लिए सर्वोत्तम संवेदनशीलता प्रदान करती है, बावजूद इसके कि अन्य चैनलों की तुलना में इसका ब्रांचिंग रेशियो कम है। ATLAS और CMS द्वारा किए गए पिछले Run-2 विश्लेषणों ने इस क्षय के लिए $3.4\sigma$ के संयुक्त महत्व (significance) के साथ साक्ष्य प्रदान किए थे, लेकिन एक निर्णायक अवलोकन और सिग्नल स्ट्रेंथ का सटीक मापन प्राथमिकता बनी हुई थी।

कार्यप्रणाली (Methodology)
यह विश्लेषण लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (LHC) पर ATLAS डिटेक्टर द्वारा Run 3 (2022–2024) के दौरान $\sqrt{s} = 13.6$ TeV के केंद्र-द्रव्यमान ऊर्जा (center-of-mass energy) पर रिकॉर्ड किए गए प्रोटॉन-प्रोटॉन कोलिजन डेटा का उपयोग करता है, जो $165 \text{ fb}^{-1}$ के एकीकृत ल्यूमिनोसिटी (integrated luminosity) के अनुरूप है। यह खोज $\ell\ell\gamma$ अंतिम अवस्था पर केंद्रित है।

इवेंट सिलेक्शन और रिकंस्ट्रक्शन: घटनाओं के लिए कम से कम एक फोटॉन और प्राथमिक वर्टेक्स से जुड़े दो समान-फ्लेवर, विपरीत-चार्ज वाले लेप्टोन की आवश्यकता होती है। फोटॉन उम्मीदवारों को $p_T > 10$ GeV (Run 2 में 15 GeV से कम किया गया) के साथ सख्त पहचान मानदंडों को पूरा करना चाहिए, और लेप्टोन को मीडियम (म्यूऑन) या लूज (इलेक्ट्रॉन) पहचान मानदंडों को पास करना चाहिए। एक किनेमैटिक फिट $Z\gamma$ के इनवेरिएंट मास ( $m_{Z\gamma}$ ) रेजोल्यूशन को सुधारने के लिए डाइलेप्टन मास को ज्ञात $Z$ बोसॉन मास तक सीमित करता है। सिग्नल रीजन को $110 < m_{Z\gamma} < 160$ GeV द्वारा परिभाषित किया गया है।
इवेंट कैटेगराइजेशन: संवेदनशीलता को अधिकतम करने के लिए, घटनाओं को किनेमैटिक सिलेक्शन और मल्टीवेरिएट क्लासिफायर (XGBoost) के आधार पर 13 परस्पर अनन्य (mutually exclusive) श्रेणियों में वर्गीकृत किया गया है। मुख्य क्षेत्र हैं:
- लेप्टॉन क्षेत्र: $N_{\text{lepton}} \ge 3$ वाली घटनाएँ, जो $VH $और$ t\bar{t}H$ उत्पादन में समृद्ध हैं।
- VBF क्षेत्र: $N_{\text{jet}} \ge 2$ वाली घटनाएँ और कोई अतिरिक्त लेप्टोन नहीं, जिन्हें एक BDT स्कोर के आधार पर टाइट (VBFT) और लूज (VBFL) उप-श्रेणियों में विभाजित किया गया है।
- हाई/लो रिलेटिव फोटॉन $p_T$ क्षेत्र: वे घटनाएँ जो VBF मानदंडों को पूरा नहीं करती हैं, उन्हें $p_T^\gamma / m_{Z\gamma}$ के अनुपात के आधार पर विभाजित किया गया है। इन्हें लेप्टान फ्लेवर ( $e$ या $\mu$ ) और BDT स्कोर (टाइट, मीडियम, लूज) द्वारा और अधिक उप-विभाजित किया गया है।
सिग्नल और बैकग्राउंड मॉडलिंग: सिग्नल शेप को डबल-साइडेड क्रिस्टल बॉल (DSCB) फंक्शन का उपयोग करके मॉडल किया गया है। बैकग्राउंड, जो नॉन-रेजोनेंट $Z\gamma$ उत्पादन और $Z+$ jets (जहाँ एक जेट को फोटॉन के रूप में गलत पहचाना जाता है) द्वारा प्रधान है, को एक अनुभवजन्य (empirical) विश्लेतिक फंक्शन का उपयोग करके मॉडल किया गया है। $Z\gamma$ और $Z+$ jets के सापेक्ष योगदान को डेटा-ड्रिवन ABCD मेथड का उपयोग करके निर्धारित किया जाता है। एक "स्प्यूरियस सिग्नल" अध्ययन किया जाता है ताकि उन बैकग्राउंड फंक्शन परिवारों का चयन किया जा सके जो कृत्रिम सिग्नल फीचर्स पेश नहीं करते हैं।
सांख्यिकीय विश्लेषण: सिग्नल यील्ड निकालने के लिए सभी 13 श्रेणियों में समानांतर रूप से एक अनबिनन्ड एक्सटेंडेड मैक्सिमम-लाइक्लीहुड फिट (unbinned extended maximum-likelihood fit) किया जाता है। डिटेक्टर कैलिब्रेशन, ल्यूमिनोसिटी और सैद्धांतिक क्रॉस-सेक्शन से संबंधित व्यवस्थित अनिश्चितताओं (systematic uncertainties) को न्युसेंस पैरामीटर्स के रूप में शामिल किया गया है।

प्रमुख योगदान

Run 3 डेटासेट: यह कार्य $\sqrt{s} = 13.6$ TeV पर Run 3 डेटा का उपयोग करके ATLAS के पहले $H \to Z\gamma$ खोज को प्रस्तुत करता है, जिसे बढ़े हुए हिग्स प्रोडक्शन क्रॉस-सेक्शन और पिछले Run 2 विश्लेषण ( $140 \text{ fb}^{-1}$ ) की तुलना में बड़े डेटासेट ( $165 \text{ fb}^{-1}$ ) का लाभ मिलता है।
अनुकूलित कैटेगराइजेशन: यह विश्लेषण $VH $और$ t\bar{t}H$ उत्पादन को लक्षित करने वाला एक समर्पित मल्टी-लेप्टोन श्रेणी पेश करता है, जो Run 2 विश्लेषण में मौजूद नहीं था। यह संवेदनशीलता को अधिकतम करने के लिए पिछले आयताकार किनेमैटिक सिलेक्शन को XGBoost-आधारित मल्टीवेरिएट क्लासिफायर से भी बदल देता है।
संयुक्त संवेदनशीलता: Run 3 परिणाम को पिछले Run 2 माप के साथ संयोजित किया जाता है ताकि अब तक की सबसे कड़ी अपेक्षित संवेदनशीलता (stringent expected sensitivity) प्रदान की जा सके।

परिणाम

केवल Run 3: मापा गया सिग्नल स्ट्रेंथ, SM भविष्यवाणी के सापेक्ष $\mu = 0.9^{+0.7}_{-0.6}$ है। बैकग्राउंड-ओनली हाइपोथीसिस के तहत देखा गया महत्व (observed significance) $1.4\sigma$ (अपेक्षित $1.5\sigma$ ) है। परिणाम SM अपेक्षा के अनुरूप है।
संयुक्त Run 2 + Run 3: संयोजन एक देखा गया सिग्नल स्ट्रेंथ $\mu = 1.3^{+0.6}_{-0.5}$ (अपेक्षित $\mu = 1.0^{+0.6}_{-0.5}$ ) प्रदान करता है। देखा गया महत्व बढ़कर $2.5\sigma$ (अपेक्षित $1.9\sigma$ ) हो जाता है।
ब्रांचिंग फ्रैक्शन: SM प्रोडक्शन क्रॉस-सेक्शन मानकर, देखा गया ब्रांचिंग फ्रैक्शन $(2.0^{+0.9}_{-0.8}) \times 10^{-3}$ है, जो $(1.54^{+0.10}_{-0.11}) \times 10^{-3}$ के SM भविष्यवाणी के अनुरूप है।

महत्व (Significance)
यह पेपर दावा करता है कि यह माप $H \to Z\gamma$ क्षय के लिए अब तक की सबसे कड़ी अपेक्षित संवेदनशीलता का प्रतिनिधित्व करता है, जो पिछले ATLAS + CMS Run 2 संयोजन से आगे निकल जाता है। संयुक्त परिणाम Run 2 माप के सापेक्ष अपेक्षित महत्व में 61% का सुधार करता है। मापन दो मानक विचलन (standard deviations) के भीतर स्टैंडर्ड मॉडल की अपेक्षा के अनुरूप है, जो $Z\gamma$ चैनल में अनुमानित हिग्स बोसॉन व्यवहार से किसी महत्वपूर्ण विचलन की अनुपस्थिति को दर्शाता है। यह विश्लेषण उन्नत इवेंट कैटेगराइजेशन और बड़े डेटासेट के माध्यम से दुर्लभ हिग्स क्षय को बेहतर सटीकता के साथ प्रोब करने में ATLAS डिटेक्टर की क्षमता को प्रदर्शित करता है।

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