⚛️ high-energy experiments

Search for emerging jets in $pp$ collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS experiment

140 fb $^{-1}$ के 13 TeV प्रोटॉन-प्रोटॉन टक्कर डेटा का उपयोग करते हुए, ATLAS प्रयोग ने चार-जेट टोपोलॉजी में इमर्जिंग जेट्स (emerging jets) की खोज की और स्टैंडर्ड मॉडल बैकग्राउंड पर कोई महत्वपूर्ण अधिकता नहीं पाई, जिससे विशिष्ट डार्क सेक्टर मापदंडों के लिए 1 और 2 TeV के बीच मीडिएटर द्रव्यमानों (mediator masses) पर बहिष्करण सीमाएं निर्धारित की गईं।

मूल लेखक: ATLAS Collaboration

प्रकाशित 2026-07-16

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CC BY 4.0

मूल लेखक: ATLAS Collaboration

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ब्रह्मांड की कल्पना एक विशाल, हलचल भरे शहर के रूप में करें जहाँ अधिकांश इमारतें एक परिचित, दृश्य सामग्री से बनी हैं जिसे "स्टैंडर्ड मॉडल" पदार्थ कहा जाता है। हम इस शहर को अच्छी तरह जानते हैं; हमने इसकी सड़कों का मानचित्र बनाया है और इसके नागरिकों को नाम दिया है। लेकिन खगोलविदों को लंबे समय से संदेह रहा है कि यह दृश्य शहर केवल हिमशैल का ऊपरी हिस्सा (टिप ऑफ द आइसबर्ग) है। सड़कों के नीचे, एक विशाल, अदृश्य भूमिगत नेटवर्क में, एक "डार्क सेक्टर" छिपा हुआ है। हम इसे सीधे नहीं देख सकते क्योंकि इसके निवासी प्रकाश या उन बलों के साथ परस्पर क्रिया नहीं करते हैं जिनका उपयोग हम अपनी दुनिया बनाने के लिए करते हैं। हालाँकि, हम जानते हैं कि यह डार्क शहर मौजूद होना चाहिए क्योंकि इसका गुरुत्वाकर्षण दृश्य शहर को थामे रखता है, जिससे वह बिखरने से बच जाता है। बड़ा रहस्य यह है कि यह डार्क शहर कैसा दिखता है? क्या यह एक शांत, खाली शून्य है, या यह अपने स्वयं के जटिल भौतिकी नियमों, अपने स्वयं के कणों और अपनी अजीब वास्तुकला वाला एक अराजक महानगर है?

वैज्ञानिक विशेष रूप से "डार्क क्यूसीडी" (Dark QCD) नामक एक सिद्धांत में रुचि रखते हैं। हमारी दृश्य दुनिया में, क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स (QCD) नामक एक बल एक सुपर-स्ट्रॉन्ग ग्लू (गोंद) की तरह कार्य करता है, जो क्वार्क्स जैसे सूक्ष्म कणों को जोड़कर प्रोटॉन और न्यूट्रॉन बनाने के लिए उन्हें बांधता है। डार्क क्यूसीडी सिद्धांत यह सुझाव देता है कि छिपे हुए डार्क सेक्टर के पास इस गोंद का अपना संस्करण है, जो अपने स्वयं के "डार्क क्वार्क्स" बनाता है जो "डार्क हैड्रॉन्स" बनाने के लिए एक साथ गुच्छे बनाते हैं। रोमांचक बात यह है कि ये डार्क कण हमेशा के लिए छिपे नहीं रह सकते। वे कभी-कभी क्षय (decay) हो सकते हैं, हमारे परिचित कणों में बदल सकते हैं और पीछे एक बहुत ही विशिष्ट, अजीब संकेत छोड़ सकते हैं: कणों की एक जेट जो टक्कर शुरू होने वाली जगह से दूर, डिटेक्टर के बीच में अचानक प्रकट होती प्रतीत होती है। इन्हें "इमर्जिंग जेट्स" (emerging jets) कहा जाता है, और उन्हें खोजना एक गुप्त सबवे स्टेशन खोजने जैसा होगा जो केवल एक पल के लिए अपने दरवाजे खोलता है और फिर गायब हो जाता है।

यह शोध पत्र ATLAS प्रयोग की एक रिपोर्ट है, जो स्विट्जरलैंड में लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (LHC) में एक विशाल कण डिटेक्टर है। टीम ने ब्रह्मांडीय जासूसों की तरह काम किया, 2015 और 2018 के बीच हुई 140 बिलियन बिलियन प्रोटॉन टक्करों (140 fb⁻¹) के डेटा के पहाड़ को छाना। वे एक विशिष्ट परिदृश्य की तलाश कर रहे थे: एक जोड़ी भारी, अदृश्य "मीडिएटर" कणों (सोचिए, ये डार्क संदेशवाहक हैं) का निर्माण होना, जो एक टक्कर में पैदा होते हैं। ये संदेशवाहक तुरंत सामान्य कणों और डार्क कणों के मिश्रण में क्षय हो जाएंगे। डार्क कण डिटेक्टर के भीतर एक छोटी दूरी तय करेंगे और फिर सामान्य कणों की एक बौछार में बदल जाएंगे, जिससे एक ऐसी "जेट" बनेगी जो हवा में प्रकट होती प्रतीत होती है, जिसमें कई "डिस्प्लेस्ड वर्टिक्स" (वे बिंदु जहाँ क्षय केंद्र से दूर हुआ) शामिल होते हैं।

इन मायावी संकेतों को खोजने के लिए, वैज्ञानिकों ने केवल एक चीज़ नहीं देखी; उन्होंने मशीन लर्निंग का उपयोग करके एक परिष्कृत दो-चरणीय "डिजिटल डिटेक्टिव" बनाया। पहले, उन्होंने एक कंप्यूटर को प्रशिक्षित किया ताकि वह एक एकल जेट के अनूठे आकार और संरचना को पहचान सके जो डार्क रहस्यों को छिपा सकता है। फिर, उन्होंने दूसरे कंप्यूटर को पूरे इवेंट को देखने के लिए प्रशिक्षित किया, यह जाँचने के लिए कि क्या टक्कर में मौजूद चार जेट्स एक डार्क मैसेंजर जोड़ी के क्षय होने के पैटर्न से मेल खाते हैं। उन्होंने अपने निष्कर्षों की तुलना साधारण कण टकरावों के एक विशाल बैकग्राउंड से की, जो एक कॉन्सर्ट में शोर मचाती भीड़ की तरह हैं जो आसानी से एक फुसफुसाहट को दबा सकती है।

इस विशाल खोज का परिणाम क्या रहा? डिटेक्टर शांत रहे। टीम को इमर्जिंग जेट्स का कोई प्रमाण नहीं मिला। उनके द्वारा देखे गए इवेंट्स की संख्या साधारण भौतिकी के अनुमानों से पूरी तरह मेल खाती थी, जिसमें कोई रहस्यमय अतिरिक्त उभार नहीं दिखा। क्योंकि उन्हें सिग्नल नहीं मिला, इसलिए वे यह साबित नहीं कर सके कि डार्क मैसेंजर मौजूद हैं, लेकिन उन्होंने एक समान रूप से महत्वपूर्ण कार्य किया: उन्होंने उस स्थान का एक बहुत ही सटीक मानचित्र खींचा जहाँ ये डार्क मैसेंजर्स नहीं हो सकते। उन्होंने इन विशिष्ट डार्क मीडिएटर्स के अस्तित्व को खारिज कर दिया यदि उनका द्रव्यमान 1 और 2 TeV (द्रव्यमान ऊर्जा की एक इकाई) के बीच है और यदि वे ऐसे डार्क कण बनाते हैं जिनका एक विशिष्ट जीवनकाल 20 मिमी है। दूसरे शब्दों में, यदि ये डार्क मैसेंजर मौजूद हैं, तो या तो वे 2 TeV से बहुत भारी हैं, या वे उस मॉडल से पूरी तरह अलग व्यवहार करते हैं जिसका वैज्ञानिकों ने परीक्षण किया था। खोज जारी है, लेकिन फिलहाल, डार्क शहर का यह विशेष संस्करण छिपा हुआ है।

तकनीकी सारांश: ATLAS प्रयोग के साथ $\sqrt{s}=13$ TeV पर $pp$ टकरावों में उभरते हुए जेट्स (Emerging Jets) की खोज

समस्या और प्रेरणा
डार्क मैटर (DM) के व्यापक प्रमाणों के बावजूद, इसकी कण प्रकृति अज्ञात बनी हुई है। सैद्धांतिक मॉडल एक "डार्क सेक्टर" (DS) का प्रस्ताव करते हैं जो क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स (QCD) के समान एक कन्फ़ाइनिंग गेज समूह द्वारा शासित होता है, जिसे अक्सर "डार्क QCD" कहा जाता है। ऐसे मॉडलों में, डार्क क्वार्क्स ( $Q_d$ ) डार्क मेसॉन्स (डार्क पायों, $\pi_d$ ) और बैरयॉन्स में हैड्रोनइज़ होते हैं। जबकि स्थिर डार्क बैरयॉन्स डार्क मैटर का निर्माण कर सकते हैं, अस्थिर डार्क मेसॉन्स एक भारी स्केलर मीडिएटर ( $\phi$ ) के माध्यम से स्टैंडर्ड मॉडल (SM) के कणों में वापस विघटित हो सकते हैं। डार्क पायों के जीवनकाल (lifetime) के आधार पर, ये क्षय (decays) विशिष्ट सिग्नेचर उत्पन्न करते हैं: प्रॉम्प्ट डार्क जेट्स, सेमी-विज़िबल जेट्स (जिसमें मिसिंग ट्रांसवर्स एनर्जी होती है), या "इमर्जिंग जेट्स" (EJs)। EJs को एक ही जेट कोन के भीतर कई विस्थापित वर्टिसिस (displaced vertices - DVs) उत्पन्न करने वाले दीर्घकालिक (long-lived) डार्क हैड्रॉन्स की उच्च बहुलता (multiplicity) द्वारा पहचाना जाता है। यह शोध स्कैलेर मीडिएटर्स के युग्म-उत्पादन (pair-production) से उत्पन्न होने वाले EJs की खोज प्रस्तुत करता है, जो एक ऐसी स्थिति है जिसे पिछले प्रॉम्प्ट या सेमी-विज़िबल जेट्स की खोजों में पूरी तरह से कवर नहीं किया गया था।

कार्यप्रणाली (Methodology)
यह विश्लेषण ATLAS डिटेक्टर द्वारा 2015 और 2018 (Run 2) के बीच $\sqrt{s}=13$ TeV पर एकत्र किए गए 140 fb $^{-1}$ प्रोटॉन-प्रोटॉन टकराव डेटा का उपयोग करता है।

सिग्नल मॉडल: यह खोज बाइफंडामेंटल स्केलेर मीडिएटर्स ( $\phi$ ) के $q\bar{q}$ एनिहिलेशन और ग्लूऑन-ग्लूऑन फ्यूजन के माध्यम से युग्म-उत्पादन को लक्षित करती है। प्रत्येक मीडिएटर एक डार्क क्वार्क और एक SM क्वार्क में विघटित होता है। डार्क क्वार्क डार्क सेक्टर में एक शावर (shower) बनाता है, जिससे डार्क पायों का एक संहत स्प्रे (collimated spray) उत्पन्न होता है जो मैक्रोस्कोपिक लाइफटाइम के साथ SM डाउन क्वार्क्स ( $\pi_d \to d\bar{d}$ ) में विघटित होते हैं। अंतिम अवस्था की टोपोलॉजी चार जेट्स है: दो SM जेट्स और दो इमर्जिंग जेट्स। विश्लेषण एक अनफ्लेवर्ड मॉडल मानता है जहाँ मीडिएटर केवल SM डाउन क्वार्क्स के साथ जुड़ता है।
इवेंट रिकंस्ट्रक्शन: स्टैंडर्ड ATLAS ट्रैक रिकंस्ट्रक्शन को बड़े इम्पैक्ट पैरामीटर ( $|d_0| < 300$ mm) वाले ट्रैक्स को पुनः प्राप्त करने के लिए एक समर्पित "लार्ज रेडियस ट्रैकिंग" (LRT) एल्गोरिदम द्वारा पूरक किया जाता है। सेकेंडरी विस्थापित वर्टिसिस (DVs) को मानक और LRT ट्रैक्स दोनों का उपयोग करके पुनर्गठित किया जाता है, जो सामग्री इंटरैक्शन और दीर्घकालिक SM कणों (जैसे $K^0_S$ ) से बैकग्राउंड को खारिज करने के लिए सख्त चयन मानदंडों के अधीन है।
इवेंट चयन: इवेंट्स को कम से कम चार जेट्स के लिए ट्रिगर किया जाता है जिनका $p_T > 120$ GeV हो। ऑफलाइन चयन के लिए आवश्यक है कि चार अग्रणी जेट $p_T$ का अदिश योग ( $H_T$ ) 1 TeV से अधिक हो। SM-जैसे जेट्स और विस्थापित ट्रैक्स वाले जेट्स के बीच अंतर करने के लिए एक प्रमुख चर, प्रॉम्प्ट ट्रैक फ्रैक्शन (PTF), जेट्स के लिए गणना की जाती है। इवेंट्स में कम से कम एक DV होना चाहिए जो एक जेट से मेल खाता हो।
वर्गीकरण रणनीति (Classification Strategy): एक दो-चरणीय बूस्टेड डिसीजन ट्री (BDT) क्लासिफायर का उपयोग किया जाता है। पहला चरण जेट स्तर पर जेट मास, चौड़ाई और ऊर्जा जैसे अवलोकनों पर कार्य करता है। दूसरा चरण इवेंट स्तर पर कार्य करता है, जिसमें चार अग्रणी जेट्स के BDT स्कोर, $H_T$ , न्यूनतम PTF, जेट मल्टीसिटी और ट्रांसवर्स स्फेयरिसिटी ( $S_T$ ) का उपयोग किया जाता है।
बैकग्राउंड अनुमान: प्रमुख बैकग्राउंड QCD मल्टीजेट उत्पादन है, जिसे सिमुलेशन में सटीक रूप से मॉडल करना कठिन है। एक संशोधित ABCD पद्धति पर आधारित एक पूर्ण डेटा-ड्रिवन दृष्टिकोण का उपयोग किया जाता है। ABCD प्लेन को इवेंट-लेवल BDT रिस्पॉन्स ( $R$ ) और जेट-मैच्ड विस्थापित वर्टिसिस की संख्या ( $N_{DV}$ ) द्वारा परिभाषित किया जाता है। सिग्नल रीजन (SR) को उच्च $R$ और उच्च $N_{DV}$ द्वारा परिभाषित किया गया है, जबकि कंट्रोल रीजन (CRs) का उपयोग SR में बैकग्राउंड यील्ड का अनुमान लगाने के लिए किया जाता है। वेरिएबल्स के बीच सहसंबंधों को ठीक करने के लिए एक लीनियर फिट लगाया जाता है। दो वैलिडेशन रीजन (Low- $H_T$ और Shifted-ABCD) बैकग्राउंड अनुमान पद्धति की पुष्टि करते हैं।

प्रमुख योगदान

नवीन खोज रणनीति: यह विश्लेषण चार-जेट अंतिम अवस्था में इमर्जिंग जेट टोपोलॉजी के लिए डार्क QCD सिग्नेचर की खोज का विस्तार करता है, विशेष रूप से युग्म-उत्पादित स्केलेर मीडिएटर्स को लक्षित करता है। यह पिछले रन 2 और रन 3 के शोधों का पूरक है जो रेजोनेंट वेक्टर मीडिएटर्स या टू-जेट टोपोलॉजी पर केंद्रित थे।
उन्नत मशीन लर्निंग: दो-चरणीय BDT क्लासिफायर का कार्यान्वयन जटिल EJ सिग्नेचर को अत्यधिक QCD मल्टीजेट बैकग्राउंड से प्रभावी ढंग से अलग करता है, जो जेट सबस्ट्रक्चर और ग्लोबल इवेंट शेप वेरिएबल्स दोनों का लाभ उठाता है।
मजबूत बैकग्राउंड अनुमान: एक संशोधित ABCD पद्धति का अनुप्रयोग जो लीनियर एक्सट्रपलेशन का उपयोग करता है, एक सटीक और डेटा-ड्रिवन बैकग्राउंड अनुमान प्रदान करता है जहाँ सिमुलेशन अविश्वसनीय है, जिसे कई कंट्रोल और वैलिडेशन रीजन के माध्यम से सत्यापित किया गया है।
सिस्टमैटिक अनसर्टेंटी हैंडलिंग: विश्लेषण में व्यवस्थित अनिश्चितताओं का व्यापक उपचार शामिल है, विशेष रूप से विस्थापित ट्रैक्स और वर्टिसिस (LRT) के पुनर्गठन से संबंधित, जो दीर्घकालिक सिग्नल मॉडलों के लिए प्रमुख अनिश्चितता का स्रोत हैं।

परिणाम
स्टैंडर्ड मॉडल बैकग्राउंड अपेक्षा से कोई महत्वपूर्ण अतिरिक्त (excess) घटनाओं का अवलोकन नहीं किया गया।

ऑब्जर्व्ड बनाम एक्सपेक्टेड: सिग्नल रीजन में, $112 \pm 6$ (stat) $\pm 4$ (syst) अनुमानित बैकग्राउंड की तुलना में 103 घटनाएं देखी गईं।
एक्सक्लूजन लिमिट्स: स्केलेर मीडिएटर ( $\sigma(pp \to \phi^\dagger\phi)$ $σ (pp \to ϕ^{†} ϕ)$ ) के युग्म-उत्पादन क्रॉस-सेक्शन पर 95% विश्वास स्तर (CL) पर ऊपरी सीमाएँ निर्धारित की गईं।
- डार्क पायों के प्रॉपर डिके लेंथ ( $c\tau_{\pi_d}$ ) 20 mm और द्रव्यमान ( $m_{\pi_d}$ ) 20 GeV के लिए, मीडिएटर द्रव्यमान 1 से 2 TeV की सीमा में वर्जित (excluded) है।
- विशेष रूप से, $m_{\pi_d} = 20$ GeV और $c\tau_{\pi_d} = 20$ mm के लिए, 2.00 TeV तक के मीडिएटर द्रव्यमान वर्जित हैं।
- $m_{\pi_d} = 10$ GeV और $c\tau_{\pi_d} = 20$ mm के लिए, 1.99 TeV तक के द्रव्यमान वर्जित हैं।
- $m_{\pi_d} = 5$ GeV और $c\tau_{\pi_d} = 20$ mm के लिए, 1.95 TeV तक के द्रव्यमान वर्जित हैं।
लाइफटाइम निर्भरता: संवेदनशीलता (Sensitivity) मध्यवर्ती जीवनकाल ( $2 \text{ mm} < c\tau_{\pi_d} < 100 \text{ mm}$ ) के लिए उच्चतम है। बहुत कम जीवनकाल (कम विस्थापन के कारण) और बहुत लंबे जीवनकाल (ट्रैकर एक्सेप्टेंस के बाहर क्षय होने के कारण) के लिए संवेदनशीलता कम हो जाती है।
CMS के साथ तुलना: परिणामों की तुलना इमर्जिंग जेट्स के लिए हालिया CMS खोजों से की गई है। जबकि CMS एक ग्राफ न्यूरल नेटवर्क (GNN) का उपयोग करके बहुत कम और बहुत उच्च जीवनकाल पर सख्त सीमाएं निर्धारित करता है, यह ATLAS विश्लेषण मध्यवर्ती जीवनकाल ($2-300$ mm) में प्रतिस्पर्धी संवेदनशीलता प्रदर्शित करता है।

महत्व
यह शोध विशिष्ट द्रव्यमान और जीवनकाल कॉन्फ़िगरेशन के लिए इमर्जिंग जेट टोपोलॉजी में युग्म-उत्पादन के नए स्केलेर मीडिएटर्स पर अब तक की सबसे कड़ी सीमाएं स्थापित करता है। चार-जेट टोपोलॉजी में पिछले ATLAS खोजों की तुलना में दो गुना छोटे क्रॉस-सेक्शन की जांच करके, यह विश्लेषण डार्क QCD मॉडलों के पैरामीटर स्पेस को महत्वपूर्ण रूप से सीमित करता है। शून्य परिणाम (null result) डार्क सेक्टर्स के अस्तित्व पर कड़े प्रतिबंध लगाता है जो QCD-जैसे समरूपता और डाउन-टाइप क्वार्क्स से जुड़ने वाले स्केलेर मीडिएटर्स रखते हैं, विशेष रूप से 2 TeV तक के मीडिएटर द्रव्यमान और लगभग 20 mm के डार्क पायों के जीवनकाल के लिए। इसकी कार्यप्रणाली, विशेष रूप से डेटा-ड्रिवन बैकग्राउंड अनुमान और दो-चरणीय ML क्लासिफायर, जटिल जेट वातावरण में दीर्घकालिक कणों की भविष्य की खोजों के लिए एक मजबूत ढांचा प्रदान करती है।

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