⚛️ high-energy experiments

Search for a Higgs boson produced in association with a charm quark and decaying to a W boson pair in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS डिटेक्टर द्वारा एकत्र किए गए 13 TeV प्रोटॉन-प्रोटॉन टक्कर डेटा के 138 fb $^{-1}$ का उपयोग करते हुए, यह शोध पत्र एक चार (charm) क्वार्क के साथ उत्पन्न होने वाले और W बोसॉन युग्म में क्षय होने वाले हिग्स बोसॉन की खोज करता है, जो हिग्स-चार युकावा कपलिंग स्ट्रेंथ मॉडिफायर पर 95% विश्वास स्तर की एक प्रेक्षित ऊपरी सीमा $|\kappa_\mathrm{c}| < 211$ निर्धारित करता है, जो पिछले डिपोटोन चैनल परिणामों के साथ संयोजित होने पर सुधरकर $|\kappa_\mathrm{c}| < 47$ हो जाती है।

मूल लेखक: CMS Collaboration

प्रकाशित 2026-08-24

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CC BY 4.0

मूल लेखक: CMS Collaboration

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एक दशक से अधिक समय से, वैज्ञानिक समुदाय 'स्टैंडर्ड मॉडल' के रूप में ज्ञात एक सैद्धांतिक ढांचे के माध्यम से ब्रह्मांड के मूलभूत निर्माण खंडों को गहराई से देख रहा है। यह मॉडल उपपरमाणु दुनिया के लिए एक आवर्त सारणी (पीरियोडिक टेबल) के रूप में कार्य करता है, जो उन कणों को सूचीबद्ध करता है जिनसे पदार्थ बनता है और उन बलों को भी जो उनकी परस्पर क्रियाओं को नियंत्रित करते हैं। इस ढांचे के केंद्र में हिग्स बोसोन स्थित है, जो 2012 में खोजा गया एक कण है और अन्य कणों को उनका द्रव्यमान देने के लिए जिम्मेदार है। जबकि हिग्स बोसोन टॉप क्वार्क और बॉटम क्वार्क जैसे भारी कणों के साथ मजबूती से अंतःक्रिया करता है, हल्के कणों के साथ इसका संबंध एक रहस्य बना हुआ है। सबसे मायावी संबंधों में से एक हिग्स बोसोन और चार्म क्वार्क के बीच का बंधन है, जो एक हल्का कण है और प्रकृति में इतना सामान्य होने के कारण आश्चर्यजनक रूप से पता लगाने में कठिन है। इस विशिष्ट अंतःक्रिया को समझना महत्वपूर्ण है क्योंकि स्टैंडर्ड मॉडल की भविष्यवाणियों से कोई भी विचलन उस नई, अनडिस्कवर्ड भौतिकी की ओर संकेत कर सकता है जो हमारी वर्तमान समझ से परे है।

स्विट्जरलैंड में लार्ज हैड्रोन कोलाइडर में कॉम्पैक्ट म्यूऑन सोलेनोइड, या CMS डिटेक्टर के साथ काम करने वाले एक शोधकर्ता ने अब इस पहेली को सुलझाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। उन्होंने एक विशिष्ट घटना की व्यापक खोज की: एक हिग्स बोसोन का एक चार्म क्वार्क के साथ निर्माण। कोलाइडर के भीतर प्रोटॉन की उच्च-ऊर्जा टक्करों में, हिग्स बोसोन आमतौर पर अन्य भारी कणों के साथ उत्पन्न होता है, लेकिन टीम ने उन दुर्लभ क्षणों पर ध्यान केंद्रित किया जहाँ यह एक चार्म क्वार्क के साथ दिखाई देता है। इस सिग्नल को खोजने के लिए, उन्होंने एक बहुत ही विशिष्ट क्षय पैटर्न (decay pattern) की तलाश की। जब हिग्स बोसोन का निर्माण होता है, तो यह लगभग तुरंत दो W बोसोन में टूट जाता है, जो कमजोर परमाणु बल के वाहक हैं। ये W बोसोन फिर आगे क्षय होते हैं, जिसमें से एक इलेक्ट्रॉन और न्यूट्रिनो में बदल जाता है, और दूसरा म्यूऑन और न्यूट्रिनो में। शोधकर्ताओं ने 138 बिलियन बिलियन टक्करों से संबंधित डेटा को छाना, जो 2016 और 2018 के बीच एकत्र किया गया था, और एक इलेक्ट्रॉन, एक म्यूऑन और एक चार्म क्वार्क जेट के इस अद्वितीय हस्ताक्षर की तलाश की, जिसके साथ अदृश्य न्यूट्रिनो द्वारा ले जाई गई लुप्त ऊर्जा (missing energy) भी शामिल थी।

इस खोज में चुनौती अत्यधिक थी क्योंकि वे जिस सिग्नल की तलाश कर रहे थे वह अत्यंत धुंधला था, जो अन्य सामान्य कण अंतःक्रियाओं के शोर के पहाड़ के नीचे दबा हुआ था। वांछित घटनाओं और अत्यधिक पृष्ठभूमि शोर (background noise) के बीच सूक्ष्म अंतरों को पहचानने के लिए प्रशिक्षित परिष्कृत कंप्यूटर एल्गोरिदम का उपयोग करके सिग्नल को शोर से अलग किया गया। उन्होंने डेटा को इस आधार पर वर्गीकृत किया कि कितने चार्म क्वार्क जेट का पता चला और जो उन्होंने देखा उसकी तुलना स्टैंडर्ड मॉडल द्वारा की गई भविष्यवाणी से करने के लिए सांख्यिकीय विधियों का उपयोग किया। विश्लेषण से पता चला कि उन्हें मिली घटनाओं की संख्या केवल बैकग्राउंड शोर के अनुरूप थी; उन्हें घटनाओं का कोई स्पष्ट अतिरिक्त हिस्सा नहीं मिला जो चार्म क्वार्क के साथ उत्पादित हिग्स बोसोन की उपस्थिति का संकेत दे सके।

चूंकि कोई स्पष्ट सिग्नल नहीं मिला, इसलिए शोधकर्ता ने इस बात पर सख्त ऊपरी सीमाएं निर्धारित कीं कि यह घटना कितनी बार हो सकती है। उन्होंने निर्धारित किया कि यदि यह प्रक्रिया होती है, तो यह स्टैंडर्ड मॉडल द्वारा भविष्यवाणी की गई आवृत्ति से लगभग 1,065 गुना अधिक बार होती है, जो 95 प्रतिशत विश्वास स्तर (confidence level) के साथ है। जब उन्होंने इन परिणामों को उसी घटना की पिछली खोज के साथ जोड़ा जो दो फोटॉन वाले एक अलग क्षय चैनल में थी, तो प्रतिबंध और भी कड़े हो गए। संयुक्त विश्लेषण बताता है कि हिग्स बोसोन और चार्म क्वार्क के बीच अंतःक्रिया की ताकत, स्टैंडर्ड मॉडल द्वारा अनुमानित ताकत से 47 गुना से कम है। हालांकि यह अभी तक नई भौतिकी के अस्तित्व को सिद्ध नहीं करता है, लेकिन यह उस स्थान को काफी सीमित कर देता है जहाँ ऐसी नई भौतिकी छिप सकती है। यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि सबसे उन्नत डिटेक्टरों और विश्लेषण तकनीकों के बावजूद, चार्म क्वार्क हिग्स बोसोन के प्रकट होने के लिए एक हठीली तरह से कठिन साथी बना हुआ है, जिसके लिए उनके संबंध की सटीक प्रकृति को अंततः निर्धारित करने के लिए भविष्य में और भी बड़े डेटासेट और अधिक परिष्कृत तरीकों की आवश्यकता होगी।

तकनीकी सारांश: एक वर्टेक्स (W) बोसोन युग्म में क्षय होने वाले, एक चार्म क्वार्क के साथ उत्पादित हिग्स बोसोन की खोज

समस्या और प्रेरणा
हिग्स बोसोन की खोज के बाद से, मानक मॉडल (SM) के कणों के साथ इसके कपलिंग का सटीक मापन एक प्राथमिक उद्देश्य बन गया है। जबकि तृतीय-पीढ़ी के फर्मियॉन और बोसॉन के साथ कपलिंग अच्छी तरह से स्थापित है, चार्म क्वार्क ( $\kappa_c$ ) के साथ यूकावा कपलिंग पर प्रत्यक्ष प्रतिबंध लगाना चुनौतीपूर्ण बना हुआ है। $H \to c\bar{c}$ क्षय के लिए पिछले प्रत्यक्ष खोजों ने उन्नत चार्म टैगिंग तकनीकों के साथ महत्वपूर्ण सुधार किया है, फिर भी चार्म क्वार्क के साथ हिग्स का संबद्ध उत्पादन ( $cH$ ) के माध्यम से भी $\kappa_c$ तक पहुँचा जा सकता है। यह चैनल प्रारंभिक अवस्था में एक चार्म क्वार्क से हिग्स बोसोन के विकिरण के माध्यम से $\kappa_c$ की जांच करता है। यद्यपि $cH$ उत्पादन का क्रॉस-सेक्शन छोटा ( $\sim 0.2\%$ कुल हिग्स उत्पादन दर का) है, यह $H \to c\bar{c}$ क्षयों की तुलना में एक विशिष्ट इवेंट सिग्नेचर प्रदान करता है। यह शोध पत्र $cH$ उत्पादन के लिए एक खोज प्रस्तुत करता है जहाँ हिग्स बोसोन $W$ बोसोन के जोड़े में क्षय होता है ( $H \to WW$ ), जिसमें से एक $W$ इलेक्ट्रॉन-न्यूट्रिनो जोड़े में और दूसरा म्यूऑन-न्यूट्रिनो जोड़े में क्षय होता है ( $e\nu\mu\nu$ )। इस विशिष्ट अंतिम अवस्था को $Z$ +jets बैकग्राउंड को दबाने के लिए चुना गया है, जो मुख्य रूप से सेम-फ्लेवर डाइलिप्टॉन चैनलों को प्रभावित करता है।

कार्यप्रणाली
यह विश्लेषण प्रोटॉन-प्रोटॉन टक्कर डेटा का उपयोग करता है जिसे $\sqrt{s} = 13$ TeV पर CMS डिटेक्टर द्वारा 2016, 2017 और 2018 डेटा संग्रह अवधियों के दौरान एकत्र किया गया था, जो 138 fb $^{-1}$ की एकीकृत ल्यूमिनोसिटी (integrated luminosity) के अनुरूप है।

इवेंट चयन (Event Selection): घटनाओं का चयन ठीक एक आइसोलेटेड इलेक्ट्रॉन और एक आइसोलेटेड म्यूऑन के साथ किया जाता है जिनके विपरीत आवेश (opposite charges) हों। किनमैटिक आवश्यकताओं में लीडिंग लेप्टॉन $p_T > 25$ GeV, सबलीडिंग लेप्टॉन $p_T > 15$ GeV, मिसिंग ट्रांसवर्स मोमेंटम ( $p_T^{miss}$ ) $> 20$ GeV, और एक सबलीडिंग लेप्टॉन का ट्रांसवर्स मास $m_{T}^{\ell_2} > 30$ GeV शामिल हैं।
चार्म जेट पहचान (Charm Jet Identification): जेट्स को एंटी- $k_T$ एल्गोरिदम का उपयोग करके पुनर्गठित किया जाता है। चार्म जेट्स ( $c$ -jets) को DEEPJET एल्गोरिदम का उपयोग करके पहचाना जाता है, जो एक डीप न्यूरल नेटवर्क-आधारित टैगर है। घटनाओं में कम से कम एक जेट होना चाहिए जो $p_T > 20$ GeV, $|\eta| < 2.4$ , और विशिष्ट डिस्क्रिमिनेन्ट थ्रेसहोल्ड ($CvsL > 0.12 $और$ CvsB > 0.5 $) को पूरा करता हो, ताकि लाइट-फ्लेवर और$ b$-जेट मिस्टैग्स को दबाते हुए चार्म टैगिंग दक्षता सुनिश्चित की जा सके।
सिग्नल क्षेत्र (SRs) और कंट्रोल क्षेत्र (CRs): घटनाओं को पहचाने गए चार्म जेट्स की संख्या ( $N_{c-j} = 1$ और $N_{c-j} > 1$ ) के आधार पर दो SRs में और बैकग्राउंड नॉर्मलाइजेशन को नियंत्रित करने के लिए दो CRs (हाई-मास डाइलिप्टॉन और टॉप-एनरिच्ड) में वर्गीकृत किया गया है। प्रमुख बैकग्राउंड $t\bar{t}$ उत्पादन है, जो कुल बैकग्राउंड का $\sim 90\%$ योगदान देता है।
मल्टीवेरिएट विश्लेषण (Multivariate Analysis): दो बूस्टेड डिसीजन ट्री (BDT) क्लासिफायर नियोजित किए गए हैं:
1. $D_{bkg}$ : गैर-हिग्स बैकग्राउंड (जैसे $t\bar{t}$ , सिंगल टॉप, डाइबोसोन, $V$ +jets) से $cH$ सिग्नल को अलग करता है।
2. $D_{H-bkg}$ : अन्य हिग्स उत्पादन प्रक्रियाओं (जैसे $ggH$, $VBF$ , $VH$ , $t\bar{t}H$ , और $bH$ ) से $cH$ सिग्नल को अलग करता है।
  इन क्लासिफायर के आउटपुट को अंतिम सांख्यिकीय फिट के लिए 1D बिन्डेड डिस्ट्रीब्यूशन बनाने हेतु $k$ -मीन्स क्लस्टरिंग एल्गोरिदम का उपयोग करके संयोजित किया जाता है।
सिमुलेशन और बैकग्राउंड मॉडलिंग: सिग्नल ( $cH$ ) और बैकग्राउंड प्रक्रियाओं को विभिन्न जनरेटरों (MADGRAPH5_aMC@NLO, POWHEG, SHERPA) के साथ PYTHIA 8 का उपयोग करके पार्टोन शावरिंग और हैड्रोनाइजेशन के लिए सिम्युलेट किया गया है। हेवी-फ्लेवर स्कीम्स (4-फ्लोर बनाम 3-फ्लोर $cH$ के लिए) और $H$ +jets में हेवी-फ्लेवर मॉडलिंग के संबंध में सैद्धांतिक अनिश्चितताओं को महत्वपूर्ण शेप अनिश्चितताओं के रूप में माना गया है।

प्रमुख योगदान और परिणाम
यह विश्लेषण सभी सिग्नल और कंट्रोल क्षेत्रों में एक साथ बिन्डेड मैक्सिमम लाइकलीहुड फिट (simultaneous binned maximum likelihood fit) करता है। दो परिदृश्य (scenarios) मूल्यांकित किए गए हैं:

1POI Fit: $H$ +चार्म बैकग्राउंड ( $H+c$ -bkg) का नॉर्मलाइजेशन SM भविष्यवाणी के अनुसार फिक्स्ड है।
2POI Fit: $H+c$ -bkg का नॉर्मलाइजेशन फ्लोट करने के लिए स्वतंत्र है, जो सिग्नल और बैकग्राउंड घटक के बीच संभावित सहसंबंधों का परीक्षण करता है।

परिणाम:

सिग्नल स्ट्रेंथ ( $\mu_{cH}$ ): 1POI परिदृश्य में, देखा गया (अपेक्षित) सिग्नल स्ट्रेंथ का ऊपरी सीमा (upper limit) SM के सापेक्ष 1065 (506) है। मापा गया सिग्नल स्ट्रेंथ $\mu_{cH} = 390^{+380}_{-270}$ है, जो 1.5 मानक विचलन के भीतर SM के अनुरूप है। संवेदनशीलता (sensitivity) $N_{c-j} = 1$ श्रेणी द्वारा संचालित है।
कपलिंग मॉडिफायर ( $\kappa_c$ ): फ्लैट डायरेक्शन धारणा के तहत (जहाँ अन्य हिग्स कपलिंग्स अन्य सिग्नल स्ट्रेंथ को एकता पर बनाए रखने के लिए समायोजित होती हैं), देखा गया (अपेक्षित) चार्म यूकावा कपलिंग मॉडिफायर का प्रतिबंध 95% CL पर $|\kappa_c| < 211$ (95) है।
संयुक्त विश्लेषण (Combined Analysis): डिपोटोन क्षय चैनल में पिछले CMS खोज के साथ संयोजित करने पर, सीमाएं सुधर जाती हैं। संयुक्त देखा गया (अपेक्षित) $\mu_{cH}$ का ऊपरी सीमा 257 (281) है, जो 95% CL पर कपलिंग मॉडिफायर के लिए $|\kappa_c| < 47$ (51) के प्रतिबंधों में परिवर्तित होता है।

महत्व
यह शोध पत्र $WW$ में हिग्स बोसोन के क्षय के साथ $cH$ उत्पादन की पहली खोज प्रस्तुत करता है। हालांकि वर्तमान सीमाएं अभी तक प्रत्यक्ष $H \to c\bar{c}$ खोजों या अप्रत्यक्ष प्रतिबंधों के साथ प्रतिस्पर्धी नहीं हैं, यह चैनल हिग्स-चार्म यूकावा कपलिंग के लिए एक वैकल्पिक और पूरक प्रोब प्रदान करता है। यह विश्लेषण उन्नत मशीन लर्निंग तकनीकों और विशिष्ट किनमैटिक चयन का उपयोग करके $t\bar{t}$ बैकग्राउंड द्वारा डोमिनेटेड जटिल फाइनल स्टेट में $cH$ उत्पादन को अलग करने की क्षमता को प्रदर्शित करता है। शोध पत्र नोट करता है कि संवेदनशीलता वर्तमान में डेटा में सांख्यिकीय अनिश्चितताओं और हेवी-फ्लेवर मॉडलिंग से संबंधित महत्वपूर्ण सैद्धांतिक अनिश्चितताओं द्वारा सीमित है। हाई-ल्यूमिनोसिटी LHC से बड़े डेटासेट और हेवी-फ्लेवर जेट पहचान एल्गोरिदम में प्रगति के साथ सुधार की आशा की गई है।

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