⚛️ high-energy experiments

Observation of structures in the $J/\psi +\psi(2S)$ mass spectrum with the ATLAS detector

140 fb $^{-1}$ के 13 TeV प्रोटॉन-प्रोटॉन टक्कर डेटा का उपयोग करते हुए, ATLAS प्रयोग $J/\psi +\psi(2S)$ द्रव्यमान स्पेक्ट्रम में 6.9 GeV के पास 8.9 $\sigma$ के संयुक्त महत्व के साथ एक महत्वपूर्ण अधिकता देखता है, जबकि 7.2 GeV के पास कोई महत्वपूर्ण संकेत नहीं पाता और 6.9 GeV अनुनाद (resonance) के लिए $J/\psi +\psi(2S)$ और di- $J/\psi$ चैनलों के बीच आंशिक क्षय चौड़ाई (partial decay widths) के अनुपात को निर्धारित करता है।

मूल लेखक: ATLAS Collaboration

प्रकाशित 2026-06-26

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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

मुख्य चित्र: ट्रैफिक जाम में "भूतिया" कारों की तलाश

कल्पना कीजिए कि CERN में लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (LHC) एक विशाल, हाई-स्पीड रेसट्रैक है जहाँ प्रोटॉन जैसे सूक्ष्म कणों को लगभग प्रकाश की गति से आपस में टकराया जाता है। जब वे टकराते हैं, तो मलबे का एक अराजक विस्फोट होता है, ठीक वैसे ही जैसे किसी व्यस्त चौराहे पर कारों का एक बड़ा ढेर लग जाए।

ज्यादातर समय, यह मलबा केवल सामान्य "ट्रैफिक" होता है—सामान्य कण जिन्हें भौतिक विज्ञानी हमेशा देखते हैं। लेकिन कभी-कभी, एक पल के लिए, एक दुर्लभ और विलक्षण "भूतिया कार" दिखाई देती है। यह भूतिया कार एक टेट्राक्वार्क (tetraquark) है, जो चार "चार्म" क्वार्क्स से मिलकर बनी एक कण है। ये विलक्षण हैं क्योंकि क्वार्क्स आमतौर पर जोड़ों या त्रिकों में आते हैं, चार के समूह में नहीं।

2020 में, वैज्ञानिकों ने पहली बार इन भूतिया कारों में से एक को देखा, जिसे X(6900) नाम दिया गया, क्योंकि यह लगभग 6.9 बिलियन इलेक्ट्रॉन-वोल्ट (GeV) का वजन रखती थी। हालाँकि, उन्होंने इसे केवल तभी देखा जब वह भूतिया कार दो विशिष्ट टुकड़ों (दो J/psi कणों) में टूट गई।

यह नया शोध एक सरल प्रश्न पूछता है: यदि यह भूतिया कार मौजूद है, तो क्या यह टुकड़ों के एक अलग सेट में भी टूटती है? विशेष रूप से, क्या यह एक J/psi और एक psi(2S) में टूटती है?

जांच: दो अलग-अलग लेंस

CERN में ATLAS टीम ने दुर्घटना स्थल को दो अलग-अलग कैमरा लेंसों के माध्यम से देखने वाले जासूसों की तरह काम किया:

लेंस A (4 म्यूऑन): उन्होंने भूतिया कार के चार म्यूऑन्स (एक प्रकार का भारी इलेक्ट्रॉन) में टूटने की तलाश की।
लेंस B (4 म्यूऑन + 2 पायोन): उन्होंने भूतिया कार के चार म्यूऑन्स और दो पायोन (एक अन्य प्रकार का कण) में टूटने की तलाश की। यह दूसरा लेंस एक वाइड-एंगल व्यू की तरह है; यह दुर्घटना के मलबे को अधिक कैप्चर करता है, जिससे दुर्लभ घटना को पहचानना आसान हो जाता है।

उन्होंने 140 "इनवर्स फेम्टोबार्स" (inverse femtobarns) के टकरावों के डेटा का विश्लेषण किया (यह कहने का एक फैंसी तरीका है कि उन्होंने एक विशाल मात्रा में डेटा देखा, जो 140 ट्रिलियन ट्रिलियन टकरावों के बराबर है)।

खोज: शोर में एक तेज सायरन

जब वैज्ञानिकों ने डेटा को छाँटा, तो उन्हें कुछ रोमांचक मिला। दोनों कैमरा लेंसों में, 6.9 GeV के आसपास घटनाओं का एक स्पष्ट "बम्प" या अतिरिक्त हिस्सा दिखाई दिया।

उपमा: कल्पना कीजिए कि आप लोगों की बातचीत से भरे एक भीड़भाड़ वाले कमरे में सुन रहे हैं (बैकग्राउंड शोर)। अचानक, कोई व्यक्ति एक नाम चिल्लाता है। पहले लेंस में, आपने उस पुकार को स्पष्ट रूप से सुना। दूसरे लेंस में, आपने उसे और भी ज़ोर से सुना।
परिणाम: सिग्नल इतना मजबूत था कि इसके किसी यादृच्छिक संयोग होने की संभावना एक अरब में एक से भी कम थी। वैज्ञानिक शब्दों में, उन्होंने 8.9 सिग्मा की सार्थकता (significance) प्राप्त की। (संदर्भ के लिए, खोज का दावा करने के लिए 5 सिग्मा मानक आवश्यक है; 8.9 एक विशाल, निर्विवाद पुष्टि है)।

यह पुष्टि करता है कि X(6900) भूतिया कार मौजूद है और यह वास्तव में J/psi + psi(2S) के संयोजन में टूट सकती है।

"क्या होगा अगर" परीक्षण: क्या वहां एक दूसरी भूतिया कार है?

वैज्ञानिकों ने यह भी सोचा कि क्या वहां एक दूसरी भूतिया कार हो सकती है, जो पहली से भारी हो और लगभग 7.2 GeV के आसपास हो। उन्होंने इस काल्पनिक कण को X(7200) नाम दिया।

उपमा: यह उसी मलबे के ढेर में छिपी एक दूसरी, भारी कार की जाँच करने जैसा है।
परिणाम: उन्होंने बहुत सावधानी से जाँच की लेकिन इस दूसरी कार का कोई प्रमाण नहीं मिला। उन्होंने एक ऊपरी सीमा निर्धारित की, जिसका अर्थ है, "यदि यह दूसरी कार मौजूद है, तो यह इतनी दुर्लभ है कि हमने इसे इस डेटासेट में नहीं देखा।"

संबंध: भूतिया कार कैसे टूटती है

सबसे दिलचस्प निष्कर्षों में से एक यह है कि X(6900) कैसे टूटती है। टीम ने इस बात की तुलना की कि यह कितनी बार दो J/psi कणों में टूटती है बनाम कितनी बार एक J/psi और एक psi(2S) में टूटती है।

उपमा: कल्पना कीजिए कि एक जादुई बॉक्स है जो दो तरीकों से खुल सकता है: या तो यह दो लाल गेंदें गिराता है या एक लाल गेंद और एक नीली गेंद। वैज्ञानिकों ने पाया कि यह बॉक्स इन दोनों संयोजनों को लगभग समान दर पर गिराता है।
परिणाम: इन दो क्षय पथों (decay paths) का अनुपात लगभग 1:1 है। यह हमें बताता है कि इस टेट्राक्वार्क की आंतरिक संरचना बहुत विशिष्ट और सममित (symmetric) है, जो एक प्रकार के टूटने को दूसरे के समान ही महत्व देती है।

निष्कर्षों का सारांश

पुष्टि: ATLAS प्रयोग ने J/psi + psi(2S) के नए संयोजन में क्षय को देखकर X(6900) टेट्राक्वार्क के अस्तित्व की पुष्टि की है।
शक्ति: साक्ष्य अत्यंत मजबूत (8.9 सिग्मा) है, जो इसे एक निश्चित अवलोकन बनाता है।
कोई दूसरी कार नहीं: इस डेटासेट में किसी भारी साथी कण (X(7200)) का कोई प्रमाण नहीं है।
क्षय पैटर्न: यह कण पुराने चैनल की तुलना में लगभग उसी दर से नए चैनल में क्षय होता है, जो एक संतुलित आंतरिक संरचना का सुझाव देता है।

संक्षेप में, वैज्ञानिकों ने सफलतापूर्वक एक नए भेष में "भूतिया कार" को खोज लिया है, जिससे यह सिद्ध होता है कि यह क्वांटम दुनिया में एक वास्तविक, स्थिर (हालांकि अल्पकालिक) वस्तु है, और उन्होंने यह भी सीखा है कि यह कैसे टूटती है।

तकनीकी सारांश: ATLAS डिटेक्टर के साथ $J/\psi + \psi(2S)$ द्रव्यमान स्पेक्ट्रम में संरचनाओं का अवलोकन

समस्या और प्रेरणा
विदेशी हैड्रोन (exotic hadrons), विशेष रूप से ऑल-चार्म टेट्राक्वार्क ( $T_{cccc}$ ) की प्रकृति, गैर-नॉन-पर्टर्बेटिव (non-perturbative) शासन में क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स (QCD) को समझने के लिए एक महत्वपूर्ण क्षेत्र बनी हुई है। 2020 में LHCb सहयोग द्वारा दी- $J/\psi$ द्रव्यमान स्पेक्ट्रम में 6.9 GeV के पास एक संकीर्ण अनुनाद (narrow resonance) ( $X(6900)$ ) के अवलोकन के बाद, ATLAS और CMS द्वारा बाद के पुष्टिकरणों, और CMS द्वारा हाल ही में क्वांटम संख्याओं के मापन के बाद, यह जांचने की आवश्यकता है कि क्या अन्य क्षय चैनलों (decay channels) में भी इसी तरह की अनुनादी संरचनाएं मौजूद हैं। विशेष रूप से, यह अध्ययन $J/\psi + \psi(2S)$ द्रव्यमान स्पेक्ट्रम में अनुनादी संरचनाओं की खोज को संबोधित करता है। जबकि $J/\psi + \psi(2S)$ चैनल का पहले ATLAS द्वारा अध्ययन किया गया था, यह विश्लेषण $\psi(2S) \to J/\psi \pi^+ \pi^-$ क्षय मोड के पुनर्निर्माण के माध्यम से इस जांच का विस्तार करता है, जो $\psi(2S) \to \mu^+\mu^-$ मोड की तुलना में दोगुने से अधिक कुल ब्रांचिंग फ्रैक्शन (branching fraction) प्रदान करता है, जिससे संभावित सिग्नल यील्ड (signal yield) में वृद्धि होती है।

कार्यप्रणाली
यह विश्लेषण $\sqrt{s} = 13$ TeV पर प्रोटॉन-प्रोटॉन टकराव डेटा का उपयोग करता है, जो 2015-2018 के दौरान ATLAS डिटेक्टर द्वारा रिकॉर्ड किए गए 140 fb $^{-1}$ के एकीकृत ल्यूमिनोसिटी (integrated luminosity) के अनुरूप है। अध्ययन दो क्षय चैनलों पर केंद्रित है:

$J/\psi + \psi(2S) \to 4\mu$
$J/\psi + \psi(2S) \to 4\mu + 2\pi$ (via $\psi(2S) \to J/\psi \pi^+ \pi^-$ )

इवेंट चयन और बैकग्राउंड अनुमान:
इवेंट्स का चयन डाय-म्यूऑन और ट्राई-म्यूऑन ट्रिगर्स का उपयोग करके किया जाता है। सिग्नल उम्मीदवारों के लिए चार म्यूऑन की आवश्यकता होती है जो दो विपरीत-चार्ज युग्म बनाते हैं और $J/\psi$ तथा $\psi(2S)$ द्रव्यमानों के अनुरूप होते हैं। $4\mu+2\pi$ चैनल के लिए, दो अतिरिक्त विपरीत-चिह्न वाले ट्रैक की आवश्यकता होती है। सिग्नल रीजन (SRs) और कंट्रोल रीजन (CRs) का उपयोग करते हुए एक समवर्ती फिट (simultaneous fit) किया जाता है। SRs और CRs को दो चार्मोनिया उम्मीदवारों के बीच कोणीय दूरी $\Delta R$ ( $\Delta R < 0.25$ SRs के लिए, $\ge 0.25$ CRs के लिए) के आधार पर परिभाषित किया गया है। यह रणनीति बैकग्राउंड नॉर्मलाइजेशन को नियंत्रित करने और सिंगल पार्टोन स्कैटरिंग (SPS) बैकग्राउंड शेप के सत्यापन की अनुमति देती है।

बैकग्राउंड को वर्गीकृत किया गया है:

अन्य (Others): अधिकतम एक वास्तविक चार्मोनियम वाले इवेंट्स (डेटा-ड्रिवन साइडबैंड विधियों के माध्यम से अनुमानित)।
नॉनप्रॉम्प्ट (Nonprompt): $b$ -हैड्रॉन क्षय से चार्मोनियम (MC के माध्यम से अनुमानित, एक समर्पित CR में सुधारा गया)।
डबल पार्टोन स्कैटरिंग (DPS): MC के माध्यम से अनुमानित, उच्च दी-चार्मोनियम द्रव्यमान वाले CR में नियंत्रित।
SPS: प्रॉम्प्ट दी-चार्मोनियम उत्पादन (MC के माध्यम से अनुमानित, जिसका आकार Pythia पैरामीटर $pT0timesMPI$ द्वारा नियंत्रित है)।

$4\mu+2\pi$ चैनल के लिए, डाय- $J/\psi$ चैनल से होने वाले फीड-अप बैकग्राउंड को दबाने के लिए एक बूस्टेड डिसीजन ट्री (BDT) का उपयोग किया जाता है जहाँ रैंडम ट्रैक्स को पायॉन के रूप में गलत पहचाना जाता है।

सिग्नल मॉडलिंग और फिट रणनीति
$m_{4\mu}$ और $m_{4\mu+2\pi}$ द्रव्यमान स्पेक्ट्रा पर अनबिन्डेड मैक्सिमम लाइकलीहुड फिट (unbinned maximum likelihood fits) किए जाते हैं। संभावित इंटरफेरेंस प्रभावों को ध्यान में रखते हुए तीन प्रतिनिधि सिग्नल मॉडल पर विचार किया गया है:

मॉडल A: दो इंटरफियरिंग S-वेव ब्रेट-विग्नर (BW) रेजोनेंस (यह मानते हुए कि दी- $J/\psi$ में देखा गया $X(6900)$ भी $J/\psi+\psi(2S)$ में क्षय होता है)।
मॉडल B: एक रेजोनेंस जो SPS बैकग्राउंड के साथ इंटरफियर करता है और एक दूसरा स्टैंडअलोन रेजोनेंस।
मॉडल C: एक एकल स्टैंडअलोन BW रेजोनेंस (केवल $J/\psi+\psi(2S)$ चैनलों पर विचार करते हुए)।

फिट एक साथ सिग्नल यील्ड, द्रव्यमान और चौड़ाई (width) को निकालता है। आंशिक क्षय चौड़ाई का अनुपात, $R = \Gamma(X(6900) \to J/\psi+\psi(2S)) / \Gamma(X(6900) \to \text{di-}J/\psi)$ , मॉडल A और B में एक मुक्त पैरामीटर के रूप में माना जाता है। 7.2 GeV के पास दूसरे रेजोनेंस ( $X(7200)$ ) की खोज के लिए मॉडलों में एक स्टैंडअलोन घटक जोड़कर भी की जाती है।

मुख्य परिणाम

$X(6900)$ का अवलोकन: दोनों $4\mu$ और $4\mu+2\pi$ चैनलों में 6.9 GeV के पास एक महत्वपूर्ण अधिकता (excess) देखी गई है। संयुक्त महत्व (combined significance) 8.9 $\sigma$ तक पहुँच जाता है (बेस्ट-फिट मानों के लिए सिग्नल शेप पैरामीटर्स को फिक्स करके गणना की गई)।
अनुनाद गुण (Resonance Properties): फिट किया गया द्रव्यमान सभी मॉडलों में लगातार 6.9 GeV के आसपास रहता है। चौड़ाई मॉडल के अनुसार भिन्न होती है: मॉडल A के लिए लगभग 0.08 GeV और मॉडल B और C के लिए 0.18 GeV।
आंशिक चौड़ाई अनुपात: मॉडल A (नोमिनल) और मॉडल B (सिस्टमैटिक असेसमेंट) के तहत, आंशिक क्षय चौड़ाई का अनुपात $R = 1.08 \pm 0.20 \pm 0.40$ (सांख्यिकीय और सिस्टमैटिक अनिश्चितताएं) निर्धारित किया गया है। यह सुझाव देता है कि $J/\psi+\psi(2S)$ और di- $J/\psi$ के ब्रांचिंग फ्रैक्शन तुलनीय हैं।
$X(7200)$ की खोज: 7.2 GeV के पास कोई महत्वपूर्ण सिग्नल नहीं देखा गया। $X(6900)$ के सापेक्ष एक संभावित $X(7200)$ की यील्ड पर 95% कॉन्फिडेंस लेवल पर 0.41 का ऊपरी सीमा (upper limit) निर्धारित किया गया है।
बैकग्राउंड वैलिडेशन: बैकग्राउंड अनुमान विधियाँ कंट्रोल रीजन में डेटा के साथ अच्छा सामंजस्य दिखाती हैं, जो SPS बैकग्राउंड शेप और नॉर्मलाइजेशन को मान्य करती हैं।

महत्व और दावे
यह पेपर दावा करता है कि यह विश्लेषण $J/\psi+\psi(2S)$ चैनलों में संरचनाओं की उपस्थिति की पुष्टि करता है, जो 6.9 GeV के पास एकल-अनुनाद परिकल्पना का समर्थन करता है। यह परिणाम पिछले मापन (संदर्भ [13]) को प्रतिस्थापित करता है, जो अधिक सटीक द्रव्यमान और चौड़ाई निर्धारण प्रदान करता है और उच्च सांख्यिकीय महत्व (di- $J/\psi$ -केवल विश्लेषण में 4.7 $\sigma$ की तुलना में 8.9 $\sigma$ ) प्राप्त करता है। यह निष्कर्ष कि आंशिक क्षय चौड़ाई का अनुपात एक के करीब है, उन परिदृश्यों का समर्थन करता है जहाँ $X(6900)$ दोनों दी-चार्मोनियम अंतिम अवस्थाओं (final states) के साथ समान रूप से जुड़ता है। पेपर निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि वर्तमान डेटा द्वारा 7.2 GeV के पास एक रेजोनेंस का अस्तित्व समर्थित नहीं है, इन विदेशी अवस्थाओं की प्रकृति, क्वांटम संख्या और संभावित अतिरिक्त अनुनादों को सटीक रूप से निर्धारित करने के लिए भविष्य के डेटासेट की आवश्यकता होगी।