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Reviving $Z^\prime$ Portal Dark Matter with Conversion Mechanism

यह शोध पत्र एक गेज्ड $U(1)_{B-L}$ बेंचमार्क मॉडल प्रस्तावित करता है जिसमें एक संकुचित डार्क फर्मियन स्पेक्ट्रम और डायरेक्ट डिटेक्शन बाधाओं को कम करने के लिए एक छोटा मिक्सिंग एंगल है, जो यह प्रदर्शित करता है कि एक नवीन रूपांतरण तंत्र प्रभावी रूप से प्रेक्षित डार्क मैटर रेलिक डेंसिटी उत्पन्न करता है और वर्तमान कोलाइडर एवं कॉस्मोलॉजिकल सीमाओं के अनुरूप बना रहता है।

मूल लेखक: Zhen-Wei Wang, Zhi-Long Han, Fei Huang, Honglei Li, Ang Liu

प्रकाशित 2026-06-11

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Zhen-Wei Wang, Zhi-Long Han, Fei Huang, Honglei Li, Ang Liu

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 विचार: "भूत" और "भारी जुड़वा"

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड अदृश्य "भूतों" से भरा है जिन्हें डार्क मैटर (Dark Matter) कहा जाता है। वैज्ञानिक यह समझने की कोशिश कर रहे हैं कि ये भूत सामान्य चीजों (जैसे तारे, ग्रह और हम) के साथ कैसे संपर्क करते हैं।

आमतौर पर, वैज्ञानिक सोचते हैं कि ये भूत अकेले रहते हैं और सामान्य पदार्थ के साथ केवल एक बहुत ही कमजोर, अदृश्य हाथ मिलाने (handshake) के माध्यम से संपर्क करते हैं। लेकिन यह शोध पत्र एक नया, अधिक दिलचस्प प्रस्ताव देता है। यह सुझाव देता है कि डार्क मैटर केवल एक अकेला भूत नहीं है; इसका एक भारी जुड़वा भाई भी है जो थोड़ा अधिक दृश्यमान है।

सेटअप: एक नया "संदेशवाहक" और एक "गुप्त दरवाजा"

यह शोध पत्र एक नए सैद्धांतिक कण को पेश करता है जिसे $Z'$ बोसोन ( $Z'$ boson) कहा जाता है। इस $Z'$ को डार्क मैटर की दुनिया और हमारी सामान्य दुनिया के बीच संदेश ले जाने वाला एक संदेशवाहक (messenger) या कूरियर समझें।

इस कहानी में, दो डार्क कण हैं:

$\chi_1$ (डार्क मैटर): हल्का, स्थिर कण जो ब्रह्मांड के लापता द्रव्यमान का निर्माण करता है। यह एक शर्मीले व्यक्ति की तरह है जिसने एक भारी वेशभूषा (एक "मिक्सिंग एंगल") पहनी हुई है ताकि इसे आसानी से देखा न जा सके।
$\chi_2$ (भारी साथी): एक थोड़ा भारी जुड़वा। यह वाला अधिक "सामाजिक" है और संदेशवाहक ( $Z'$ ) के साथ मजबूती से संपर्क करता है।

चूंकि वे जुड़वा हैं, वे एक-दूसरे की जगह ले सकते हैं। भारी जुड़वा ( $\chi_2$ ), हल्के वाले ( $\chi_1$ ) में बदल सकता है, और इसके विपरीत भी, लेकिन केवल तभी जब वे किसी और चीज़ से टकराते हैं। यह "बदलना" ही कन्वर्जन मैकेनिज्म (Conversion Mechanism) है।

समस्या: "बहुत शोर वाला" हाथ मिलाना

पुराने सिद्धांतों में, डार्क मैटर के आज सही मात्रा में अस्तित्व में रहने के लिए, इसे सामान्य पदार्थ के साथ काफी बार हाथ मिलाना पड़ता था। लेकिन यदि इसने बहुत जोर से (loudly) हाथ मिलाया होता, तो हमारे विशाल कण डिटेक्टर (जैसे लार्ज हैड्रोन कोलाइडर में हैं) इसे पहले ही देख चुके होते। उन्होंने ऐसा नहीं किया है।

यह शोध पत्र कहता है: "क्या होगा अगर डार्क मैटर वास्तव में बहुत शांत है?"
क्योंकि डार्क मैटर ( $\chi_1$ ) ने एक वेशभूषा (छोटा मिक्सिंग एंगल) पहनी हुई है, यह सामान्य पदार्थ से बहुत कम बात करता है। यह समझाता है कि हमने इसे अब तक क्यों नहीं पाया है। लेकिन यदि यह इतना शांत है, तो यह ब्रह्मांड की शुरुआत से कैसे बचा रहा?

समाधान: "क्राउड सर्फिंग" और "बदलने" की रणनीति

यह शोध पत्र तर्क देता है कि डार्क मैटर ने सामान्य पदार्थ के साथ हाथ मिलाकर जीवित रहना सुनिश्चित नहीं किया। इसके बजाय, यह अपने भारी जुड़वा ( $\chi_2$ ) के साथ बातचीत करके जीवित रहा।

लेखक इस प्रक्रिया को समझाने के लिए तीन तरीके बताते हैं, जिसमें एक भीड़ भरे डांस फ्लोर का उदाहरण दिया गया है:

को-एननिहिलेशन (Co-annihilation) (दोगुनी मुसीबत): जुड़वा आपस में टकराते हैं और एक साथ गायब हो जाते हैं, जिससे पीछे सामान्य कण बच जाते हैं। यह पुराना, मानक तरीका है।
को-स्कैटरिंग (Coscattering) (क्राउड सर्फ): भारी जुड़वा ( $\chi_2$ ) एक सामान्य कण (जैसे फोटॉन या इलेक्ट्रॉन) से टकराता है और गिर जाता है, और इस प्रक्रिया में हल्के जुड़वा ( $\chi_1$ ) में बदल जाता है। यह एक सर्फर की तरह है जो किनारे तक पहुँचने के लिए लहर की सवारी कर रहा है।
कन्वर्जन (Conversion) (जादुई बदलाव): यह इस पूरी प्रक्रिया का मुख्य आकर्षण है। भारी जुड़वा ( $\chi_2$ ) दूसरे डार्क जुड़वा से टकराता है, और वे अपनी पहचान बदल लेते हैं। भारी वाला हल्का हो जाता है, और हल्का वाला भारी। यह इतनी कुशलता से होता है कि यह बिना सामान्य पदार्थ से बहुत अधिक बात किए, ब्रह्मांड में डार्क मैटर की सही मात्रा बनाए रखता है।

दो परिदृश्य: "रेजोनेंस" और "सेक्लूडेड" कमरा

यह शोध पत्र संदेशवाहक ( $Z'$ ) के वजन के आधार पर दो अलग-अलग "कमरों" (परिदृश्यों) में इस विचार का परीक्षण करता है:

1. रेजोनेंस परिदृश्य (The Resonance Scenario - "परफेक्ट ईको")

सेटअप: संदेशवाहक ( $Z'$ ) बहुत भारी है, जो डार्क मैटर के जुड़वाओं के वजन का ठीक दोगुना है।
परिणाम: यह एक "परफेक्ट ईको" (गूंज) पैदा करता है। यह इंटरैक्शन को बहुत कुशल बनाता है।
चुनौती: चूंकि संदेशवाहक इतना भारी है, इसलिए "कन्वर्जन" तंत्र यहाँ सबसे अच्छा काम करता है। हालांकि, संदेशवाहक इतना भारी है कि वर्तमान कण कोलाइडर इसे आसानी से नहीं देख सकते। इस परिदृश्य को खोजने का एकमात्र तरीका भारी जुड़वा ( $\chi_2$ ) के बहुत धीरे से क्षय (decay) होने को देखना हो सकता है, जो कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड (बिग बैंग की चमक) में एक धुंधला संकेत छोड़ देगा।

2. सेक्लूडेड परिदृश्य (The Secluded Scenario - "प्राइवेट पार्टी")

सेटअप: संदेशवाहक ( $Z'$ ) डार्क मैटर के जुड़वाओं से हल्का है।
परिणाम: जुड़वा सीधे सामान्य पदार्थ से बात नहीं कर सकते। इसके बजाय, वे आपस में बात करते हैं और अधिक संदेशवाहक ( $Z'$ ) बनाते हैं।
चुनौती: यह वास्तव में देखने के लिए सबसे आशाजनक जगह है! क्योंकि संदेशवाहक हल्का है, इसे बनाना आसान है। "कन्वर्शन" तंत्र यहाँ बहुत अच्छी तरह काम करता है।
खोज: इस परिदृश्य में, डार्क मैटर को इनके द्वारा पहचाना जा सकता है:
- डायरेक्ट डिटेक्शन (Direct Detection): एक डिटेक्टर को एक "धक्का" (nudge) देकर (यदि जुड़वा वजन में करीब हैं)।
- इनडायरेक्ट डिटेक्शन (Indirect Detection): अंतरिक्ष में संदेशवाहकों को प्रकाश कणों (जैसे इलेक्ट्रॉन) में क्षय होते हुए देखना।
- कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड (CMB): ब्रह्मांड के इतिहास में बाद में लंबे समय तक जीवित रहने वाले भारी जुड़वा के क्षय को देखना।

निष्कर्ष: यह क्यों महत्वपूर्ण है

शोध पत्र का निष्कर्ष यह है कि डार्क मैटर के केवल सामान्य पदार्थ के साथ "हाथ मिलाने" का पुराना विचार संकट में है क्योंकि हमने इसे नहीं पाया है।

हालांकि, यह नया विचार—जहाँ डार्क मैटर का एक भारी जुड़वा है और वह पहचान बदलकर (कन्वर्जन) जीवित रहता है—एक बहुत ही मजबूत दावेदार है।

यह समझाता है कि हमने इसे अभी तक क्यों नहीं देखा (यह वेशभूषा पहने हुए है)।
यह भविष्यवाणी करता है कि कन्वर्शन मैकेनिज्म ही डार्क मैटर के बनने का सबसे संभावित तरीका है।
यह सुझाव देता है कि सेक्लूडेड परिदृश्य (जहाँ संदेशवाहक हल्का है) अगली बार देखने के लिए सबसे रोमांचक जगह है, जो भविष्य के दूरबीनों और कण कोलाइडर द्वारा पहचान के लिए उम्मीद जगाता है।

संक्षेप में, डार्क मैटर केवल एक अकेला भूत नहीं हो सकता। यह एक शर्मीला व्यक्ति हो सकता है जिसका एक शोर मचाने वाला जुड़वा भाई है, और वे हमारे ब्रह्मांड में जीवित रहने के लिए लगातार अपनी जगह बदलते रहते हैं।

तकनीकी सारांश: कन्वर्जन मैकेनिज्म के साथ $Z'$ पोर्टल डार्क मैटर को पुनर्जीवित करना

समस्या विवरण
विस्तारित गेज सिमेट्री वाले कई नए भौतिकी मॉडलों में, $Z'$ बोसोन डार्क मैटर (DM) और स्टैंडर्ड मॉडल (SM) के कणों के बीच एक मध्यस्थ (mediator) के रूप में कार्य करता है। हालाँकि, पारंपरिक $Z'$ पोर्टल DM परिदृश्यों को महत्वपूर्ण चुनौतियों का सामना करना पड़ता है: अवलोकित अवशेष घनत्व (relic density) को दोहराने के लिए आवश्यक गेज कपलिंग आमतौर पर डायरेक्ट डिटेक्शन प्रयोगों (स्पिन-इंडिपेंडेंट स्कैटरिंग के कारण) और कोलाइडर खोजों ( $Z'$ उत्पादन सीमाओं के कारण) द्वारा बहुत कम होने के लिए बाधित होती है। जबकि मास स्प्लिटिंग (mass splitting) वाले इनइलास्टिक (inelastic) DM मॉडल किनेमैटिक सप्रेशन (kinematic suppression) के माध्यम से एक समाधान प्रदान करते हैं, पारंपरिक दृष्टिकोण अक्सर सह-विलय (coannihilation) तंत्र पर निर्भर करते हैं जो इन बाधाओं को पर्याप्त रूप से कम करने या पूर्ण उत्पादन गतिकी (production dynamics) का पता लगाने में सक्षम नहीं हो सकते हैं। लेखक एक विशिष्ट इनइलास्टिक डायरैक DM मॉडल की जांच करके इन गंभीर मुद्दों को संबोधित करने का लक्ष्य रखते हैं, जो एक गेज्ड $U(1)_{B-L}$ फ्रेमवर्क के भीतर है, और विशेष रूप से कंप्रेस्ड मास स्पेक्ट्रम (compressed mass spectrum) से उत्पन्न होने वाले नवीन उत्पादन तंत्रों—विशेष रूप से कोस्कैटरिंग (coscattering) और कन्वर्जन (conversion)—पर ध्यान केंद्रित करते हैं।

कार्यप्रणाली
यह अध्ययन एक बेंचमार्क मॉडल प्रस्तावित करता है जो SM को एक गेज्ड $U(1)_{B-L}$ सिमेट्री और दो वेक्टर-लाइक डायरैक फर्मियन्स, $\tilde{\chi}_1$ और $\tilde{\chi}_2$ के साथ विस्तारित करता है।

मॉडल संरचना: $\tilde{\chi}_1$ , $U(1)_{B-L}$ के तहत न्यूट्रल है, जबकि $\tilde{\chi}_2$ एक गैर-शून्य चार्ज $Q_{\tilde{\chi}_2}$ वहन करता है। एक डार्क स्केलर $\phi$ एक वैक्यूम एक्सपेक्टेशन वैल्यू (VEV) प्राप्त करता है, जिससे एक मास मिक्सिंग टर्म $\delta m \bar{\tilde{\chi}}_1 \tilde{\chi}_2$ प्रेरित होता है। इसके परिणामस्वरूप मास आइजनस्टेट्स $\chi_1$ (DM उम्मीदवार) और $\chi_2$ (एक भारी साथी) प्राप्त होते हैं, जो एक मिक्सिंग एंगल $\theta$ द्वारा संबंधित हैं।
इंटरेक्शन डायनेमिक्स: $\chi_1$ $χ_{1}$ और $Z'$ $Z^{'}$ बोसोन के बीच का इंटरेक्शन $\sin^2\theta$ $sin^{2} θ$ द्वारा दबा हुआ है, जिससे एक छोटा प्रभावी गेज कपलिंग प्राप्त होता है। अवशेष घनत्व का निर्धारण युग्मित बोल्ट्ज़मैन समीकरणों (coupled Boltzmann equations) को हल करके किया जाता है जिनमें शामिल हैं:
- (को)एनीहलेशन (Coannihilation): $\chi_1 \bar{\chi}_1 \to f\bar{f}$ , $\chi_2 \bar{\chi}_2 \to f\bar{f}$ , और $\chi_1 \chi_2 \to f\bar{f}$ ।
- कोस्कैटरिंग (Coscattering): $\chi_2 f \to \chi_1 f$ ।
- कन्वर्जन (Conversion): $\chi_2 \chi_i \to \chi_1 \chi_j$ (जहाँ $i,j \in \{1,2\}$ )।
- थ्री-बॉडी डिके (Three-body decays): $\chi_2 \to \chi_1 f \bar{f}$ ।
परिदृश्य (Scenarios): विश्लेषण को मास रेशियो $r_{Z'} = m_{Z'}/m_{\chi_2}$ $r_{Z^{'}} = m_{Z^{'}} / m_{χ_{2}}$ के आधार पर दो शासन (regimes) में विभाजित किया गया है:
1. रेजोनेंस परिदृश्य (Resonance Scenario): $r_{Z'} \simeq 2$ , जहाँ $Z'$ रेजोनेंस पीक के पास एनीहलेशन को मध्यस्थता प्रदान करता है।
2. सीक्लूडेड परिदृश्य (Secluded Scenario): $m_{Z'} < m_{\chi_{1,2}}$ , जहाँ प्रमुख प्रक्रिया $\chi_{1,2} \bar{\chi}_{1,2} \to Z' Z'$ है।
टूल्स और बाधाएं: लेखक संख्यात्मक गणनाओं और क्रॉस-सेक्शन्स के लिए micrOMEGAs का उपयोग करते हैं। वे व्यवस्थित रूप से निम्नलिखित बाधाओं को लागू करते हैं:
- कोलाइडर: LEP, LHCb, BaBar, CMS, ATLAS, और भविष्य के अनुमान (FCC-ee, Belle II)।
- डायरेक्ट डिटेक्शन: वर्तमान (PandaX-4T, LZ, DarkSide-50) और भविष्य (SuperCDMS, LZ) की स्पिन-इंडिपेंडेंट स्कैटरिंग सीमाएं।
- इनडायरेक्ट डिटेक्शन: Fermi-LAT, H.E.S.S., AMS, और CMB प्रतिबंध।
- कॉस्मोलॉजी: बिग बैंग न्यूक्लियोसिंथेसिस (BBN) और कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड (CMB) सीमाएं, जो लॉन्ग-लिव्ड $\chi_2$ डिके को नियंत्रित करती हैं।

प्रमुख योगदान

इनइलास्टिक DM का विस्तार: पिछले मिनिमल इनइलास्टिक डायरैक DM अध्ययनों के विपरीत (जो अक्सर फिक्स्ड चार्जेस के साथ MeV स्केल तक सीमित थे), यह कार्य $Q_{\tilde{\chi}_2}$ को एक फ्री पैरामीटर के रूप में रखते हुए GeV से TeV मास स्केल की जांच करता है।
प्रमुख तंत्रों की पहचान: यह पेपर प्रदर्शित करता है कि कंप्रेस्ड स्पेक्ट्रम ( $m_{\chi_1} \simeq m_{\chi_2}$ ) और विशिष्ट कपलिंग रेंज के लिए, कन्वर्जन मैकेनिज्म ( $\chi_2 \chi_i \to \chi_1 \chi_j$ ) और कोस्कैटरिंग ( $\chi_2 f \to \chi_1 f$ ) अवशेष घनत्व गणना में हावी हो सकते हैं, जो अक्सर पारंपरिक को-एनीहलेशन को पीछे छोड़ देते हैं।
फेनोमेनोलॉजिकल मैपिंग: लेखक वर्तमान और भविष्य के प्रयोगात्मक प्रतिबंधों के तहत व्यवहार्य पैरामीटर स्पेस ( $m_{\chi_1}, \Delta_\chi, r_{Z'}, g', g_\chi, \theta$ ) का एक व्यापक मानचित्रण प्रदान करते हैं।

परिणाम

रेजोनेंस परिदृश्य ( $r_{Z'} \simeq 2$ ):
- कन्वर्जन मैकेनिज्म उस क्षेत्र में अनुकूल है जहाँ $g' \sim \mathcal{O}(10^{-3})$ है और $m_{Z'}$ GeV से TeV की सीमा में है। यह क्षेत्र भविष्य के कोलाइडर्स (CMS, ATLAS, FCC-ee) के लिए संभावित रूप से सुलभ है।
- को-एनीहलेशन बहुत छोटे कपलिंग ( $g' \lesssim 10^{-5}$ ) पर हावी होता है, जिससे लॉन्ग-लिव्ड $\chi_2$ बनता है। यह शासन मुख्य रूप से डायरेक्ट डिटेक्शन या कोलाइडर के बजाय भविष्य के CMB अवलोकनों द्वारा जांचा जाता है।
- डायरेक्ट और इनडायरेक्ट डिटेक्शन सिग्नल आमतौर पर छोटे मिक्सिंग एंगल $\theta$ द्वारा दबा दिए जाते हैं, जिससे उन्हें देखना चुनौतीपूर्ण हो जाता है जब तक कि $\theta$ बेंचमार्क मानों से काफी बड़ा न हो।
- कोस्कैटरिंग को बड़े $g'$ की आवश्यकता के कारण वर्तमान कोलाइडर बाधाओं द्वारा काफी हद तक बाहर कर दिया गया है।
सीक्लूडेड परिदृश्य ( $m_{Z'} < m_{\chi_{1,2}}$ ):
- कन्वर्जन मैकेनिज्म मजबूत है और कम द्रव्यमान पर $g'$ से काफी हद तक स्वतंत्र है, जो इसे इनडायरेक्ट डिटेक्शन और CMB के माध्यम से पहचान के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार बनाता है।
- को-एनीहलेशन को बड़े $g'$ के लिए वर्तमान $Z'$ बाधाओं द्वारा काफी हद तक बाहर कर दिया गया है।
- कोस्कैटरिंग $g' \sim \mathcal{O}(10^{-4})$ के लिए व्यवहार्य है और भविष्य के डायरेक्ट डिटेक्शन प्रयोगों (यदि $\Delta_\chi$ और $g_\chi$ अनुकूल हों) और कोलाइडर्स के लिए सुलभ है।
- सीक्लूडेड परिदृश्य रेजोनेंस केस की तुलना में बड़े मिक्सिंग एंगल्स ( $\theta \sim \mathcal{O}(10^{-3})$ ) की अनुमति देता है, जिससे डायरेक्ट और इनडायरेक्ट डिटेक्शन की संभावनाएं बढ़ जाती हैं।
लॉन्ग-लिव्ड पार्टिकल्स: दोनों परिदृश्यों में, विशिष्ट पैरामीटर चयन लॉन्ग-लिव्ड $\chi_2$ कणों की ओर ले जाते हैं। यह पेपर पहचान करता है कि $\chi_2$ डिके BBN और CMB अनिसोट्रॉपी को कैसे प्रभावित करते हैं, जो कोलाइडर खोजों के लिए एक पूरक प्रोब प्रदान करता है।

महत्व और दावे
यह पेपर दावा करता है कि कन्वर्जन मैकेनिज्म वर्तमान बाधाओं के तहत $Z'$ पोर्टल डार्क मैटर के लिए एक व्यवहार्य और पसंदीदा मार्ग है, विशेष रूप से रेजोनेंस और सीक्लूडेड दोनों परिदृश्यों में। लेखक तर्क देते हैं कि यह तंत्र एक ऐसा व्यवहार्य पैरामीटर स्पेस प्रदान करता है जो अक्सर पारंपरिक को-एनीहलेशन मॉडलों के लिए अप्राप्य होता है या प्रभावी कपलिंग के कारण डायरेक्ट डिटेक्शन सीमाओं के प्रति अधिक मजबूत होता है।

अध्ययन इस बात पर प्रकाश डालता है कि:

कन्वर्जन मैकेनिज्म एक विशिष्ट फेनोमेनोलॉजिकल सिग्नेचर प्रदान करता है जहाँ अवशेष घनत्व एक भारी डार्क पार्टनर के साथ इनइलास्टिक कन्वर्जन द्वारा निर्धारित होता है, जो गेज कपलिंग और मिक्सिंग एंगल की सख्त आवश्यकताओं को कम करता है।
सीक्लूडेड परिदृश्य, डायरेक्ट और इनडायरेक्ट डिटेक्शन के लिए भविष्य के प्रयोगात्मक परीक्षणों के लिए रेजोनेंस परिदृश्य की तुलना में अधिक आशाजनक परिदृश्य प्रस्तुत करता है, क्योंकि यह बड़े मिक्सिंग एंगल्स को समायोजित करने में सक्षम है।
भविष्य के CMB अवलोकन, लो-कपलिंग, लॉन्ग-लिव्ड $\chi_2$ शासन को प्रोब करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं जो वर्तमान और नियोजित कोलाइडर की पहुंच से बाहर हैं।

लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि जबकि रेजोनेंस परिदृश्य कोस्कैटरिंग के कारण कोलाइडर बाधाओं से चुनौतियों का सामना करता है, सीक्लूडेड परिदृश्य, जो कन्वर्जन और विशिष्ट को-एनीहलेशन द्वारा संचालित है, $Z'$ पोर्टल डार्क मैटर को पुनर्जीवित करने के लिए एक मजबूत ढांचा प्रदान करता है जिसके परीक्षण योग्य सिग्नेचर आगामी प्रयोगों में उपलब्ध हैं।