⚛️ high-energy experiments

Search for heavy neutral leptons in decays of W bosons produced in 13 TeV pp collisions using prompt signatures in the ATLAS detector

ATLAS डिटेक्टर से 13 TeV प्रोटॉन-प्रोटॉन टकराव के 140 fb $^{-1}$ डेटा का उपयोग करते हुए, यह अध्ययन प्रॉम्प्ट सेम-चार्ज डाइलिप्टन या ट्रिलिप्टन हस्ताक्षरों के माध्यम से W बोसॉन क्षय में भारी न्यूट्रल लेप्टॉन की खोज करता है, जिसमें स्टैंडर्ड मॉडल बैकग्राउंड पर कोई महत्वपूर्ण अधिकता नहीं पाई गई और इस प्रकार 8–65 GeV के द्रव्यमान सीमा में इलेक्ट्रॉन और म्यूऑन न्यूट्रिनो के साथ उनके मिश्रण पर कड़े ऊपरी सीमाएं निर्धारित की गई हैं।

मूल लेखक: ATLAS Collaboration

प्रकाशित 2026-07-24

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CC BY 4.0

मूल लेखक: ATLAS 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

ब्रह्मांड की कल्पना एक विशाल, हलचल भरी पार्टी के रूप में करें जहाँ हर कण की एक भूमिका है। दशकों से, भौतिक विज्ञानी यह समझने की कोशिश कर रहे हैं कि "न्यूट्रिनो"—वे अदृश्य, भूतिया मेहमान जो बिना रुके हर चीज़ के बीच से गुज़र जाते हैं—में द्रव्यमान (mass) आखिर आया ही क्यों है। यह कुछ ऐसा है जैसे यह पता चलना कि एक भूत का वजन होता है; पुराने नियमपुस्तिका के अनुसार यह संभव नहीं होना चाहिए। इस रहस्य को सुलझाने के लिए, वैज्ञानिकों ने एक नया पात्र प्रस्तावित किया: हैवी न्यूट्रल लेप्टोन (HNL)। इस HNL को न्यूट्रिनो के "बड़े भाई" के रूप में सोचें, एक भारी, शर्मीला रिश्तेदार जो यह समझा सकता है कि नन्हे न्यूट्रिनो में द्रव्यमान क्यों है, ब्रह्मांड पदार्थ (matter) से क्यों बना है न कि केवल प्रतिद्रव्य (antimatter) से, और यहाँ तक कि डार्क मैटर किससे बना है। बड़ा सवाल यह है: क्या ये भारी चचेरे भाई वास्तव में अस्तित्व में हैं, या वे कागज़ पर केवल एक चतुर विचार हैं?

यह शोध पत्र इन मायावी HNLs को खोजने के लिए भेजी गई एक विशाल खोज दल की कहानी है। ATLAS डिटेक्टर का उपयोग करते हुए—जो लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (LHC) के भीतर बनी एक कैथेड्रल के आकार की एक विशाल, बहु-परतीय डिजिटल कैमरा है—वैज्ञानिकों ने प्रोटॉन को अविश्वसनीय गति से आपस में टकराया। वे एक बहुत ही विशिष्ट "स्मोकिंग गन" (ठोस सबूत) की तलाश में थे: एक भारी न्यूट्रिनो जो अस्तित्व में आता है, एक पल के लिए जीवित रहता है, और फिर तीन आवेशित कणों (जैसे इलेक्ट्रॉन या म्यूऑन) में बदल जाता है जो सभी एक ही समय में दिखाई देते हैं। क्योंकि ये भारी न्यूट्रिनो अपने स्वयं के प्रतिकण (antiparticles) होते हैं (एक अजीब क्वांटम चाल), वे समान विद्युत आवेश वाले कणों के जोड़े उत्पन्न कर सकते हैं, जो एक ऐसा संकेत है जिसे ब्रह्मांड के मानक "बैकग्राउंड शोर" के लिए नकली बनाना लगभग असंभव है।

टीम ने डेटा के एक पहाड़ का विश्लेषण किया जो 140 इन्वर्स फेम्टोबार्न (inverse femtobarns) के टकरावों के बराबर है (एक शानदार तरीका यह कहने का कि उन्होंने 140 ट्रिलियन ट्रिलियन प्रोटॉन टकरावों को देखा)। उन्होंने डिजिटल जाल, या "सिग्नल रीजन" की एक श्रृंखला स्थापित की, जो इन तीन-कण घटनाओं को पकड़ने के लिए डिज़ाइन की गई थी जबकि अरबों उबाऊ, मानक घटनाओं को फ़िल्टर करती थी। उन्होंने भारी न्यूट्रिनोओं को 8 और 65 GeV (ऊर्जा की एक इकाई जो हमें बताती है कि कण कितना भारी है) के बीच द्रव्यमान सीमा में प्रकट होने के लिए देखा।

परिणाम? जाल ज्यादातर खाली थे, हालांकि एक छोटा, दिलचस्प उभार दिखा। वैज्ञानिकों को डेटा में कोई भारी न्यूट्रल लेप्टोन छिपा हुआ नहीं मिला, लेकिन उन्होंने एक छोटा सा उतार-चढ़ाव देखा: जितने इवेंट्स उन्होंने देखे वे अपेक्षित संख्या से थोड़े अधिक थे, जो 1.7 सिग्मा का अधिशेष (excess) दिखा रहा था। हालांकि यह किसी दिलचस्प चीज़ का संकेत है, लेकिन यह खोज का दावा करने के लिए पर्याप्त मजबूत नहीं है; यह नए कण के बजाय यादृच्छिक सांख्यिकीय शोर के अनुरूप है। यह शोध स्पष्ट रूप से इन भारी न्यूट्रिनोओं के अस्तित्व को खारिज करता है यदि वे इलेक्ट्रॉन या म्यूऑन न्यूट्रिनो के साथ कुछ बहुत ही सूक्ष्म संख्याओं से अधिक शक्ति के साथ मिश्रित होते हैं। विशेष रूप से, 15 और 30 GeV के बीच वजन वाले भारी न्यूट्रिनो के लिए, मिश्रण की शक्ति इलेक्ट्रॉनों के लिए 1.1 × 10⁻⁵ और म्यूऑन्स के लिए 5 × 10⁻⁶ से कम होनी चाहिए। पूरे 8 से 65 GeV की सीमा में, मिश्रण क्रमशः 8 × 10⁻⁵ और 5.0 × 10⁻⁵ से भी कम होना चाहिए।

इसलिए, जबकि भारी न्यूट्रिनो एक सैद्धांतिक संभावना बने हुए हैं, इस खोज ने "तुम कहाँ हो?" के संकेत को और आगे धकेल दिया है। यदि वे मौजूद हैं, तो या तो वे इस खोज द्वारा पकड़े जाने योग्य बहुत भारी हैं, या वे इतने शर्मीले और शेष ब्रह्मांड के साथ इतने कमजोर रूप से जुड़े हुए हैं कि उन्हें खोजने में हमारी सोच से भी अधिक कठिन है। खोज जारी है, लेकिन ब्रह्मांड का मानचित्र अब थोड़ा अधिक सटीक हो गया है।

तकनीकी सारांश: ATLAS डिटेक्टर में प्रॉम्प्ट सिग्नेचर का उपयोग करके $W$ बोसॉन क्षय में भारी न्यूट्रल लेप्टॉन की खोज

समस्या और प्रेरणा
न्यूट्रिनो फ्लेवर ऑसिलेशन की खोज ने पुष्टि की है कि न्यूट्रिनोओं के पास द्रव्यमान (mass) है, एक ऐसी घटना जो मानक मॉडल (Standard Model - SM) द्वारा स्पष्ट नहीं की गई है। यह अवलोकन दाएं हाथ के भारी मेजरोना न्यूट्रिनो (right-handed heavy Majorana neutrinos) के अस्तित्व का सुझाव देता है, जिन्हें अक्सर भारी न्यूट्रल लेप्टॉन (Heavy Neutral Leptons - HNLs) कहा जाता है, जो टाइप-1 सीसॉ मैकेनिज्म (Type-1 Seesaw mechanism) से उत्पन्न हो सकते हैं। HNLs को न्यूट्रिनो द्रव्यमान की लघुता, लेप्टोजेनेसिस के माध्यम से ब्रह्मांड की बेरियन विषमता (baryon asymmetry), और डार्क मैटर उम्मीदवारों के संभावित स्पष्टीकरण के रूप में सैद्धांतिक रूप से प्रेरित किया गया है। जबकि पिछले शोधों ने विभिन्न द्रव्यमान श्रेणियों में HNLs को सीमित किया है, जिसमें लॉन्ग-लिव्ड पार्टिकल सिग्नेचर शामिल हैं, यह शोध पत्र लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (LHC) के पूर्ण रन 2 डेटासेट का उपयोग करके $W$ बोसॉन क्षय में उत्पादित प्रॉम्प्ट HNL क्षय की खोज को संबोधित करता है।

कार्यप्रणाली (Methodology)
यह विश्लेषण $\sqrt{s} = 13 \text{ TeV}$ के केंद्र-द्रव्यमान ऊर्जा पर प्रोटॉन-प्रोटॉन टकराव के $140 \text{ fb}^{-1}$ डेटा का उपयोग करता है, जिसे ATLAS डिटेक्टर द्वारा एकत्र किया गया है। यह खोज एक ऑन-शेल $W$ बोसॉन के क्षय में SM न्यूट्रिनो के साथ मिश्रण (mixing) के माध्यम से एक एकल HNL ( $N$ ) के उत्पादन को लक्षित करती है ( $W \to \ell^\pm N$ ), जिसके बाद HNL का एक आवेशित लेप्टॉन और एक न्यूट्रिनो में प्रॉम्प्ट क्षय होता है ( $N \to \ell^\mp \nu$ )। HNL की मेजरोना प्रकृति के कारण, इस प्रक्रिया के परिणामस्वरूप तीन आवेशित लेप्टॉन और एक न्यूट्रिनो वाला अंतिम अवस्था (final state) प्राप्त होती है, जहाँ दो लेप्टॉन समान फ्लेवर और विद्युत आवेश (Same-Flavor Same-Charge, SFSC) साझा करते हैं, और तीसरा लेप्टॉन भिन्न फ्लेवर और विपरीत आवेश वाला होता है।

इवेंट चयन (Event Selection): विश्लेषण तीन प्रॉम्प्ट सिग्नल लेप्टॉन या दो सिग्नल लेप्टॉन प्लस एक बेसलाइन लेप्टॉन की आवश्यकता वाले सिग्नल रीजन (SRs) को परिभाषित करता है। प्रमुख SM बैकग्राउंड (जैसे $WZ$, $ZZ $, और$ VVV$ उत्पादन) को दबाने के लिए, उन घटनाओं को वर्टो (veto) किया जाता है जिनमें तीन सेम-फ्लेवर लेप्टॉन होते हैं, और ट्रांसवर्स मास ( $m_T$ ), प्रभावी द्रव्यमान ( $m_{\text{eff}}$ ), और SFSC लेप्टॉन जोड़ी के इनवेरिएंट मास ( $m_{\ell\ell}^{\text{SC}}$ ) जैसे चरों पर किनेमैटिक आवश्यकताएं लागू की जाती हैं। टॉप-क्वार्क बैकग्राउंड को कम करने के लिए $b$ -जेट वर्टो लागू किया जाता है।
बैकग्राउंड अनुमान (Background Estimation): बैकग्राउंड को तीन समूहों में वर्गीकृत किया गया है:
1. प्रॉम्प्ट SM प्रक्रियाएं: इन्हें सैद्धांतिक क्रॉस-सेक्शन के अनुसार सामान्यीकृत (normalized) करके मॉन्टे कार्लो (MC) सिमुलेशन का उपयोग करके अनुमानित किया जाता है (जो मुख्य रूप से $WZ$ द्वारा संचालित है)।
2. चार्ज-फ्लिप इलेक्ट्रॉन्स: इलेक्ट्रॉन चार्ज मिसआइडेंटिफिकेशन की संभावना पर आधारित डेटा-ड्रिवन विधियों का उपयोग करके अनुमानित किया जाता है, हालांकि इन्हें सिग्नल रीजन में नगण्य पाया गया।
3. फेक और नॉन-प्रॉम्प्ट लेप्टॉन: मैट्रिक्स मेथड का उपयोग करके डेटा-ड्रिवन तरीके से अनुमानित किया जाता है, जो लूज़ (loose) और टाइट (tight) लेप्टॉन आइडेंटिफिकेशन मानदंडों की अलग-अलग दक्षता का लाभ उठाता है। यह श्रेणी प्रमुख बैकग्राउंड स्रोत है।
सिस्टमैटिक अनसर्टेंटीज़ (Systematic Uncertainties): अनसर्टेंटीज़ में एकीकृत ल्यूमिनोसिटी (0.83%), लेप्टॉन आइडेंटिफिकेशन और रिकंस्ट्रक्शन एफिशिएंसी, जेट एनर्जी स्केल और रेजोल्यूशन, और सिग्नल एवं बैकग्राउंड दोनों प्रक्रियाओं के लिए मॉडलिंग अनसर्टेंटीज़ शामिल हैं। प्रमुख अनसर्टेंटीज़ फेक/नॉन-प्रॉम्प्ट लेप्टॉन बैकग्राउंड अनुमान में सांख्यिकीय और सिस्टमैटिक त्रुटियों से उत्पन्न होती हैं।

प्रमुख योगदान (Key Contributions)

विस्तारित द्रव्यमान सीमा (Extended Mass Range): यह विश्लेषण $8 $–$ 65 \text{ GeV}$ की भारी न्यूट्रल लेप्टॉन द्रव्यमान सीमा को कवर करता है, जो आंशिक रन 2 डेटासेट पर किए गए पिछले ATLAS प्रॉम्प्ट डिके खोजों से आगे बढ़ता है।
व्यापक सिग्नल रीजन: अध्ययन $e^\pm e^\pm \mu^\mp$ और $\mu^\pm \mu^\pm e^\mp$ के लिए, साथ ही उन घटनाओं को पुनः प्राप्त करने के लिए दो-लेप्टॉन सिग्नल रीजन को परिभाषित और अनुकूलित करता है जहाँ तीसरा लेप्टॉन सख्त सिग्नल मानदंडों को पूरा करने में विफल रहता है लेकिन बेसलाइन आवश्यकताओं को पार कर जाता है।
मजबूत बैकग्राउंड वैलिडेशन: बैकग्राउंड अनुमान विधियों को ढीले किनेमैटिक कट्स के साथ परिभाषित कंट्रोल रीजन और वैलिडेशन रीजन (VRs) में मान्य किया जाता है, जो देखे गए डेटा और अनुमानित SM बैकग्राउंड के बीच $2\sigma$ के भीतर अच्छा सामंजस्य दिखाते हैं।

परिणाम (Results)
अपेक्षित स्टैंडर्ड मॉडल बैकग्राउंड के ऊपर घटनाओं का कोई महत्वपूर्ण अधिशेष (excess) नहीं देखा गया। सभी सिग्नल रीजन में देखे गए इवेंट यील्ड बैकग्राउंड भविष्यवाणियों के अनुरूप हैं, जिसमें सबसे बड़ा स्थानीय विचलन SRE3 सिग्नल रीजन में $1.7$ मानक विचलन है।

तदनुसार, यह विश्लेषण HNL द्रव्यमान ( $m_{\text{HNL}}$ ) के फलन (function) के रूप में मिक्सिंग पैरामीटर्स $|U_e|^2$ और $|U_\mu|^2$ के लिए मॉडल-डिपेंडेंट एक्सक्लूजन लिमिट्स निर्धारित करता है:

**पूर्ण द्रव्यमान सीमा ($8 $–$ 65 \text{ GeV} $):** विश्लेषण$ |U_e|^2 $के$ 8 \times 10^{-5} $से ऊपर और$ |U_\mu|^2 $के$ 5.0 \times 10^{-5}$ से ऊपर के मानों को वर्जित (exclude) करता है।
सबसे कड़े प्रतिबंध (Strongest Constraints): सबसे कड़े प्रतिबंध $15 $–$ 30 \text{ GeV} $द्रव्यमान सीमा में प्राप्त किए जाते हैं, जो$ |U_e|^2 < 1.1 \times 10^{-5} $और$ |U_\mu|^2 < 5 \times 10^{-6}$ को वर्जित करते हैं।
व्यापक रेंज: व्यापक द्रव्यमान अंतराल ($15 $–$ 50 \text{ GeV} $और$ 15 $–$ 40 \text{ GeV} $) पर$ |U_e|^2 $और$ |U_\mu|^2 $के लिए क्रमशः$ 1.8 \times 10^{-5} $और$ 7.0 \times 10^{-6}$ की ऊपरी सीमाएं निर्धारित की गई हैं।

महत्व (Significance)
यह शोध पत्र दावा करता है कि ये परिणाम आंशिक रन 2 डेटा पर आधारित पिछले ATLAS खोजों का स्थान लेते हैं और लॉन्ग-लिव्ड HNLs तथा अन्य HNL उत्पादन तंत्रों (जैसे वेक्टर-बोसॉन फ्यूजन) की मौजूदा खोजों के पूरक हैं। इस विशिष्ट किनेमैटिक रिजीम में इलेक्ट्रॉन और म्यूऑन न्यूट्रिनो के साथ भारी न्यूट्रल लेप्टॉन के मिश्रण पर कड़ेतम प्रतिबंध लगाकर, यह कार्य उस पैरामीटर स्पेस को प्रभावी ढंग से प्रोब करता है जहाँ HNLs न्यूट्रिनो द्रव्यमान उत्पत्ति और पदार्थ-विरोधी विषमता (matter-antimatter asymmetry) की व्याख्या कर सकते हैं।

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