Measurement of time-dependent $CP$ asymmetries in $B^0 \to K_{\rm S}^0 \: π^{+} π^{-} γ$ decays at Belle and Belle II

एक बड़ी तस्वीर: जुड़वा कणों का ब्रह्मांडीय नृत्य

कल्पना कीजिए कि दो जुड़वा भाई-बहन एक ही क्षण में पैदा हुए हैं, जो एक सटीक, तालमेल बिठाकर नृत्य कर रहे हैं। कण भौतिकी (particle physics) की दुनिया में, ये "जुड़वा" कण B मेसॉन (विशेष रूप से एक $B^0$ और उसका प्रति-कण, $\bar{B}^0$) कहलाते हैं। उन्हें जापान के SuperKEKB और KEKB कोलाइडर्स में एक उच्च-ऊर्जा टक्कर के दौरान एक साथ बनाया जाता है।

चूंकि वे एक "क्वांटम एंटैंगल्ड" (quantum entangled) अवस्था में एक साथ पैदा होते हैं, इसलिए वे आपस में जुड़े हुए हैं। यदि एक जुड़वा अपनी पहचान बदलने का निर्णय लेता है (एक प्रक्रिया जिसे "फ्लेवर ऑसिलेशन" कहा जाता है), तो दूसरे जुड़वा को इसके बारे में तुरंत पता चल जाता है।

इस शोध पत्र के वैज्ञानिक (बेले और बेले II सहयोग) बहुत तेज़ गति वाले फोटोग्राफर की तरह काम कर रहे हैं, जो इन जुड़वा कणों द्वारा किए जाने वाले एक बहुत ही विशिष्ट, दुर्लभ नृत्य स्टेप को कैद करने की कोशिश कर रहे हैं। वे एक विशिष्ट क्षय (decay) की तलाश कर रहे हैं:

• शो का सितारा: एक $B^0$ मेसॉन जो एक फोटॉन (प्रकाश का एक कण), एक न्यूट्रल काऑन ($K^0_S$), और दो पायॉन्स ($\pi^+\pi^-$) में टूट जाता है।
• लक्ष्य: यह देखना कि क्या कणों का यह "नृत्य" स्टैंडर्ड मॉडल (भौतिकी की वर्तमान नियम पुस्तिका) के नियमों का पालन करता है या क्या इसमें कोई ऐसी गड़बड़ी है जो "न्यू फिजिक्स" (ऐसे नियम जिन्हें हमने अभी तक नहीं खोजा है) की ओर इशारा करती है।

रहस्य: बाएं-हाथ बनाम दाएं-हाथ का प्रकाश

स्टैंडर्ड मॉडल में, जब एक $B^0$ मेसॉन टूटता है और एक फोटॉन उत्सर्जित करता है, तो वह फोटॉन लगभग हमेशा "बाएं-हाथ वाला" (left-handed) होता है (वह एक विशिष्ट दिशा में घूमता है)। एक "दाएं-हाथ वाला" (right-handed) फोटॉन इतना दुर्लभ है जैसे घास के ढेर में सुई ढूंढना।

हालाँकि, यदि अज्ञात बल या कण (स्टैंडर्ड मॉडल से परे भौतिकी) मौजूद हैं, तो वे "दाएं-हाथ वाले" फोटॉन को अधिक बार प्रकट कर सकते हैं। वैज्ञानिक इस क्षय के समय में एक सूक्ष्म विषमता (asymmetry) की तलाश कर रहे हैं ताकि यह देख सकें कि क्या यह "दाएं-हाथ वाला" प्रभाव चुपके से प्रवेश कर रहा है।

प्रयोग: समय के विरुद्ध एक दौड़

इस दुर्लभ घटना को पकड़ने के लिए, वैज्ञानिकों ने दो विशाल "कैमरों" (डिटेक्टर्स) का उपयोग किया:

1. Belle: एक पुराना कैमरा जो 1999 से 2010 तक चला।
2. Belle II: एक नया, अधिक स्पष्ट कैमरा जो 2019 में शुरू हुआ।

उन्होंने भारी मात्रा में डेटा एकत्र किया, जो 1,076 "इनवर्स फेमटोबार्न" (टकराव डेटा की एक इकाई) के बराबर है। इसे समझने के लिए, उन्होंने उन विशिष्ट "नृत्य स्टेप्स" को खोजने के लिए अरबों कण टकरावों को देखा जिनमें वे रुचि रखते थे।

चुनौती:
$B^0$ मेसॉन अविश्वसनीय रूप से तेज़ी से टूटता है। दोनों जुड़वाओं के नृत्य के बीच के समय अंतर को मापने के लिए, वैज्ञानिकों को घटना की "कहानी" को फिर से बनाना पड़ा:

• सिग्नल ($B_{sig}$): वह जुड़वा जिसका वे अध्ययन कर रहे हैं।
• टैग ($B_{tag}$): दूसरा जुड़वा। यह समझकर कि "टैग" जुड़वा किस चीज़ में टूटा है, वे यह निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि "सिग्नल" जुड़वा शुरुआत में क्या कर रहा था।

मापन: "CP विषमता" (CP Asymmetry)

वैज्ञानिकों ने CP विषमता नामक चीज़ को मापा। इसे ऐसे समझें कि यह जांचना है कि क्या ब्रह्मांड पदार्थ (matter) और प्रति-पदार्थ (antimatter) के साथ बिल्कुल समान व्यवहार करता है।

• यदि ब्रह्मांड पूरी तरह से निष्पक्ष है, तो "नृत्य" वैसा ही दिखना चाहिए जैसा कि समय में आगे या पीछे देखने पर दिखता है।
• यदि कोई विषमता है, तो इसका मतलब है कि ब्रह्मांड का एक हल्का झुकाव है, जो यह समझा सकता है कि हमारा ब्रह्मांड खाली होने के बजाय पदार्थ से क्यों बना है।

उन्होंने इस विषमता को वर्णित करने के लिए चार विशिष्ट नंबरों (पैरामीटर्स) को मापा:

1. $C$ और $S$: विषमता के मुख्य स्कोर।
2. $S_+$ और $S_-$: नए, अधिक विस्तृत स्कोर। वैज्ञानिकों ने अपने डेटा को दो हिस्सों में विभाजित किया जो कणों की गति पर आधारित थे (जैसे डांस फ्लोर को "बाएं" और "दाएं" पक्ष में विभाजित करना) ताकि भौतिकी का अधिक सूक्ष्म दृश्य प्राप्त किया जा सके।

परिणाम: उन्हें क्या मिला?

दोनों कैमरों से डेटा का विश्लेषण करने के बाद, यहाँ बताया गया है कि उन्हें क्या मिला:

• स्कोर: उन्होंने विषमता मापदंडों को लगभग मापा:

  • $C \approx -0.17$
  • $S \approx -0.29$
  • $S_+ \approx -0.57$
  • $S_- \approx 0.31$
    (नोट: इन नंबरों में "एरर बार" हैं क्योंकि उप-परमाणु कणों को मापना तूफान में पंख तौलने जैसा है।)

• फैसला:

  • परिणाम स्टैंडर्ड मॉडल के अनुरूप हैं। "नृत्य" काफी हद तक वैसा ही है जैसा नियम पुस्तिका ने भविष्यवाणी की थी।
  • हालाँकि, नए मापदंडों ($S_-$) के लिए माप थोड़े "तनावपूर्ण" (tensile) हैं (शून्य से लगभग 2 मानक विचलन दूर)। यह अभी नई भौतिकी का निर्णायक प्रमाण नहीं है, लेकिन यह एक संकेत है जो वैज्ञानिकों को उत्साहित रखता है।
  • सबसे बड़ी उपलब्धि सटीकता (precision) है। दोनों प्रयोगों के डेटा को मिलाकर, उन्होंने पिछले मापों की तुलना में अनिश्चितता को आधा कर दिया है। यह इस "रूलर" को बहुत अधिक पैना बनाता है जिसका उपयोग वे ब्रह्मांड को मापने के लिए कर रहे हैं।

यह क्यों मायने रखता है?

यह शोध पत्र यह दावा नहीं करता है कि इसने कोई नया कण या नया बल खोज लिया है। इसके बजाय, इसने जाल को और बारीक कर दिया है।

कल्पना कीजिए कि आप एक विशाल समुद्र में एक विशिष्ट प्रकार की मछली खोजने की कोशिश कर रहे हैं। पिछले अध्ययनों ने एक चौड़ा जाल फेंका और कुछ मछलियाँ पकड़ीं, लेकिन जाल के छेद बड़े थे। इस अध्ययन ने एक महीन जाली वाला जाल इस्तेमाल किया। उन्हें अभी तक "राक्षसी मछली" (न्यू फिजिक्स) नहीं मिली, लेकिन उन्होंने साबित कर दिया कि यदि वह राक्षसी मछली वहाँ है, तो वह बहुत छोटी या बहुत शर्मीली होगी।

इन मापदंडों को इतनी उच्च सटीकता के साथ मापकर, उन्होंने इस बात की सख्त सीमा तय कर दी है कि इन क्षयों (decays) में कितना "दाएं-हाथ वाला" प्रकाश मौजूद हो सकता है। यह वैज्ञानिकों को उन विचारों को खारिज करने में मदद करता है जो हमारे वर्तमान ब्रह्मांड संबंधी समझ के परे छिपे हो सकते हैं।

संक्षेप में (Summary in a Nutshell)

बेले और बेले II टीमों ने पदार्थ और प्रति-पदार्थ के बीच एक दुर्लभ, क्षणिक नृत्य को देखने के लिए अरबों कण टकरावों का एक विशाल स्नैपशॉट लिया। उन्होंने इस नृत्य के समय को अभूतपूर्व सटीकता के साथ मापा। नृत्य मुख्य रूप से भौतिकी के ज्ञात नियमों का पालन करता है, लेकिन अब माप इतने सटीक हैं कि वे सबसे सूक्ष्म विचलनों को भी देख सकते हैं, जिससे वैज्ञानिकों को यह सीमित करने में मदद मिलती है कि ब्रह्मांड के रहस्य कहाँ छिपे हो सकते हैं।