Search for long-lived particles using displaced vertices of oppositely charged leptons in 140 fb$^{-1}$ of pp collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड एक विशाल, ब्रह्मांडीय पहेली है। दशकों से, वैज्ञानिक 'स्टैंडर्ड मॉडल' नामक एक नियम पुस्तिका का उपयोग करके इन टुकड़ों को जोड़ने की कोशिश कर रहे हैं। यह एक शानदार मार्गदर्शिका है जो बताती है कि इलेक्ट्रॉन और क्वार्क जैसे सूक्ष्म कण कैसे व्यवहार करते हैं, लेकिन इसमें कुछ महत्वपूर्ण टुकड़े गायब हैं। यह गुरुत्वाकर्षण की व्याख्या नहीं करता है, यह हमें नहीं बताता कि डार्क मैटर क्या है, और यह कुछ बड़े सवालों को भी अधूरा छोड़ देता है कि ब्रह्मांड आखिर क्यों अस्तित्व में है। इन लापता टुकड़ों को खोजने के लिए, भौतिक विज्ञानी विशाल मशीनें बनाते हैं जिन्हें 'पार्टिकल कोलाइडर' कहा जाता है। इन्हें दुनिया के सबसे शक्तिशाली गुलेल (स्लिंगशॉट) के रूप में समझें। ये सूक्ष्म कणों को प्रकाश की गति के करीब की रफ्तार से आपस में टकराते हैं, जिससे एक अराजक, उच्च-ऊर्जा विस्फोट पैदा होता है। उस अराजकता के एक क्षण में, ऊर्जा अस्थायी रूप से नए, भारी कणों में बदल सकती है जो हमारी शांत, रोजमर्रा की दुनिया में आमतौर पर मौजूद नहीं होते हैं।

इनमें से अधिकांश नए कण ऐसे जुगनूओं की तरह हैं जो तुरंत अस्तित्व से लुप्त हो जाते हैं। वे जन्म लेते ही क्षय (decay) हो जाते हैं या टूट जाते हैं। लेकिन कुछ सिद्धांत बताते हैं कि कुछ विशेष कण "दीर्घजीवी" (long-lived) हो सकते हैं। ये उप-परमाण्विक दुनिया के 'ब्रह्मांडीय कछुए' हैं: वे जन्म लेते हैं, डिटेक्टर के माध्यम से एक ध्यान देने योग्य दूरी तय करते हैं, और फिर क्षय होते हैं। यदि हम इन धीमी गति से चलने वाले, दीर्घजीवी कणों को खोज सकें, तो वे डार्क मैटर या प्रकृति की नई शक्तियों के रहस्यों को खोलने की कुंजी हो सकते हैं। यह वही खोज है जिसे लार्ज हैड्रोन कोलाइडर (LHC) में ATLAS सहयोग (collaboration) कर रहा है। वे एक बहुत ही विशिष्ट, अजीब संकेत की निगरानी करके इन "कछुओं" की तलाश कर रहे हैं: विपरीत आवेश वाले कणों का एक जोड़ा (जैसे एक इलेक्ट्रॉन और एक पॉज़िट्रॉन, या दो म्यूऑन) जो अंतरिक्ष के एक ऐसे बिंदु से उत्पन्न होते प्रतीत होते हैं जो मूल टकराव से काफी दूर है। यह बिल्कुल वैसा ही है जैसे आप बर्फ पर दो स्केटर्स को अचानक प्रकट होते देखें, हाथ पकड़े हुए, लेकिन यह महसूस करें कि वे रिंक के केंद्र से शुरू नहीं हुए थे—वे आपसे कुछ मीटर दूर प्रकट हुए हैं।

महान अदृश्य कछुआ खोज

ATLAS सहयोग, जो स्विट्जरलैंड में LHC पर विशाल ATLAS डिटेक्टर के साथ काम करने वाली वैज्ञानिकों की एक बड़ी टीम है, ने हाल ही में इन मायावी दीर्घजीवी कणों को खोजने के अपने नवीनतम प्रयास पर एक रिपोर्ट प्रकाशित की है। उन्होंने डेटा का एक बहुत बड़ा हिस्सा—140 इनवर्स फेम्टोबार्न (डेटा की मात्रा मापने की एक इकाई कि उन्होंने कितने टकराव देखे)—लिया और एक बहुत ही विशिष्ट घटना की तलाश की: एक "विस्थापित वर्टेक्स" (displaced vertex)।

यह समझने के लिए कि वे क्या खोज रहे थे, कल्पना करें कि LHC एक विशाल पिनबॉल मशीन है। जब दो प्रोटॉन आपस में टकराते हैं, तो वे आमतौर पर कणों का एक समूह बनाते हैं जो टकराव के सटीक केंद्र से बाहर निकलता है। यह "प्राइमरी वर्टेक्स" है। लेकिन यदि एक दीर्घजीवी कण बनता है, तो वह टूटने से पहले कुछ मिलीमीटर या यहाँ तक कि कुछ मीटर दूर उड़ सकता है। जब वह अंततः क्षय होता है, तो वह विपरीत आवेश वाले लेप्टॉन (इलेक्ट्रॉन या म्यूऑन) के जोड़े में विभाजित हो सकता है। ये दो कण फिर एक नया "वर्टेक्स" (मिलन बिंदु) बनाएंगे जो टकराव के केंद्र से स्पष्ट रूप से विस्थापित होगा। यह एक ऐसे पटाखे को देखने जैसा है जो लॉन्च पैड से दूर हवा में फट जाता है, जिससे चिंगारियों की एक ऐसी लकीर छोड़ता है जो स्पष्ट रूप से वहीं से शुरू नहीं हुई जहाँ रॉकेट छोड़ा गया था।

वैज्ञानिकों ने इन घटनाओं को पकड़ने के लिए एक परिष्कृत जाल बनाया। उन्होंने ATLAS डिटेक्टर के 'इनर ट्रैकिंग सिस्टम' का उपयोग किया, जो एक हाई-स्पीड कैमरे की तरह है जो आवेशित कणों के पथ को ट्रैक कर सकता है। उन्होंने विपरीत आवेश वाले लेप्टॉन के जोड़ों (इलेक्ट्रॉन-इलेक्ट्रॉन, म्यूऑन-म्यूऑन, या इलेक्ट्रॉन-म्यूऑन) की तलाश की जिन्होंने डिटेक्टर के भीतर एक वर्टेक्स बनाया लेकिन वे मुख्य टकराव बिंदु से स्पष्ट रूप से नहीं आ रहे थे। वे अपने नियमों को लेकर बहुत सख्त थे: वर्टेक्स केंद्र से कम से कम 2 मिलीमीटर दूर होना चाहिए, लेकिन इतना दूर भी नहीं कि वह डिटेक्टर के दृश्य से बाहर हो जाए (300 मिलीमीटर से कम)। उन्होंने यह भी आवश्यक बनाया कि कणों के जोड़े का संयुक्त द्रव्यमान 12 GeV से अधिक हो ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि वे केवल रैंडम शोर या सामान्य बैकग्राउंड कण नहीं हैं।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि वे कुछ भी मिस न कर दें, उन्होंने तीन अलग-अलग "परिदृश्य" या मॉडल देखे कि ये दीर्घजीवी कण क्या हो सकते हैं।

1. भारी स्केलर और Z' ट्विन्स: कल्पना करें कि एक भारी, अदृश्य गेंद (एक स्केलर कण) दो दीर्घजीवी "Z' बोसॉन" में विभाजित होती है। ये Z' बोसॉन फिर लेप्टॉन के जोड़े में बदलने से पहले थोड़ी दूरी तय करते हैं।
2. ग्लूनो का रहस्य: इस परिदृश्य में, ग्लूनो (मजबूत बल से संबंधित) नामक भारी कण बनते हैं और एक दीर्घजीवी न्यूट्रालिनो (एक प्रकार का सुपरसिमेट्रिक कण) में क्षय होते हैं। यह न्यूट्रालिनो दो लेप्टॉन और एक न्यूट्रिनो में टूटने से पहले एक दूरी तय करता है।
3. इलेक्ट्रोवीकविनो मिक्स: दूसरे के समान, लेकिन दीर्घजीवी न्यूट्रालिनो चार्गिनो या भारी न्यूट्रालिनो जैसे अन्य भारी कणों के क्षय के माध्यम से उत्पन्न होता है।

टीम ने लाखों ऐसे इवेंट्स का सिमुलेशन किया ताकि देख सकें कि उनका डिटेक्टर कैसे प्रतिक्रिया देगा। उन्होंने गणना की कि यदि ये कण मौजूद थे, तो उनका डिटेक्टर उन्हें एक निश्चित दक्षता के साथ पहचान लेना चाहिए, जो इस बात पर निर्भर करता है कि कण कितने लंबे समय तक जीवित रहते हैं और वे कितने भारी हैं। उन्होंने "नकली" संकेतों के लिए भी बहुत समय बिताया। उदाहरण के लिए, उन्हें यह सुनिश्चित करना था कि वे केवल दो रैंडम ट्रैक नहीं देख रहे हैं जो संयोग से एक-दूसरे को काटते हैं, या कॉस्मिक किरणें (अंतरिक्ष से आने वाले कण) जो एक टकराव की तरह दिखती हैं। उन्होंने चालाक सांख्यिकीय युक्तियों का उपयोग किया, जैसे कि अलग-अलग वास्तविक टकरावों के ट्रैक्स को "मिक्स" करना ताकि यह देखा जा सके कि रैंडम ट्रैक कितनी बार गलती से एक नकली वर्टेक्स बना देते हैं। परिणाम? एक रैंडम दुर्घटना के सिग्नल जैसा दिखने की संभावना अविश्वसनीय रूप से कम थी, लगभग दस लाख में एक।

परिणाम: एक शांत डिटेक्टर

140 इनवर्स फेम्टोबार्न डेटा को छानने, अपने सभी सख्त फिल्टर लागू करने और हर संभावित बैकग्राउंड शोर की जांच करने के बाद, वैज्ञानिकों को... कुछ नहीं मिला। एक भी घटना उनके मानदंडों (criteria) से मेल नहीं खाती थी जो विस्थापित डाइलीटॉन वर्टेक्स (displaced dilepton vertex) के लिए था।

यह सुनने में विफलता लग सकता है, लेकिन कण भौतिकी में, एक "शून्य परिणाम" (null result) एक शक्तिशाली खोज है। इसका मतलब है कि यदि ये दीर्घजीवी कण मौजूद हैं, तो वे वैज्ञानिकों के सर्वोत्तम मॉडलों की तुलना में बहुत दुर्लभ हैं या अलग तरह से व्यवहार करते हैं। टीम ने अपने डेटा का उपयोग यह निर्धारित करने के लिए किया कि ये कण कितनी बार उत्पन्न हो सकते हैं, इसकी सख्त "ऊपरी सीमाएं" (upper limits) तय करने के लिए। इसे एक झील में मछली पकड़ने जैसा समझें। यदि आप 140 बार जाल डालते हैं और शून्य मछली पकड़ते हैं, तो आप यह नहीं कह सकते कि झील में मछलियाँ नहीं हैं, लेकिन आप पूरे विश्वास के साथ कह सकते हैं कि वहां बहुत सारी मछलियाँ नहीं हैं, या वे उस प्रकार की मछली नहीं हैं जिसे आप ढूंढ रहे थे।

विशेष रूप से, यह शोध पत्र इन कणों के उत्पादन के लिए नई सीमाएं निर्धारित करता है जिनका द्रव्यमान 0.1 से 2.2 TeV (टेरा-इलेक्ट्रॉनवोल्ट) के बीच है और जीवनकाल (जिसे दूरी और प्रकाश की गति के गुणनफल $c\tau$ के रूप में मापा जाता है) 1 से 10,000 मिलीमीटर के बीच है। "ग्लूनो मॉडल" के लिए, उन्होंने अधिकांश जीवनकाल के लिए 1.7 TeV द्रव्यमान तक के दीर्घजीवी न्यूट्रालिनो के अस्तित्व को खारिज कर दिया। "इलेक्ट्रोवीकविनो मॉडल" के लिए, उन्होंने सभी परीक्षण किए गए जीवनकाल के लिए 0.5 TeV द्रव्यमान तक के न्यूट्रालिनो को खारिज कर दिया, और 1.3 TeV तक के भारी द्रव्यमान के लिए सीमाएं निर्धारित कीं। "Z' मॉडल" के लिए, उन्होंने भारी स्केलर के उत्पादन की सीमाएं निर्धारित की जो दीर्घजीवी Z' बोसॉन में क्षय होते हैं।

लेखक इस बात पर जोर देते हैं कि यह पहली बार है जब ATLAS सहयोग ने इलेक्ट्रॉन, म्यूऑन या मिश्रित जोड़ों से जुड़े इस विशिष्ट सिग्नेचर के लिए रन 2 (2015-2018) के पूर्ण डेटासेट का उपयोग किया है। पिछले खोजों में कम डेटा का उपयोग किया गया था या केवल म्यूऑन पर ध्यान केंद्रित किया गया था। सभी तीन प्रकार के लेप्टॉन जोड़ों को शामिल करके और पूर्ण डेटासेट का उपयोग करके, उन्होंने पहले से कहीं अधिक व्यापक संभावनाओं की जांच की है।

निष्कर्षतः, ब्रह्मांड इस विशिष्ट कोने में शांत है। यदि ये दीर्घजीवी कण मौजूद हैं, तो वे वैज्ञानिकों की उम्मीद से बेहतर छिप रहे हैं। यह शोध पत्र यह साबित नहीं करता कि ये कण अस्तित्व में नहीं हैं; यह केवल हमें बताता है कि यदि वे वहां हैं, तो उन्हें ढूंढना हमारी उम्मीद से कहीं अधिक कठिन है, या वे अलग नियमों के तहत खेल रहे हैं। यह खोज के दायरे को कम करता है, जिससे भौतिक विज्ञानियों को भविष्य के प्रयोगों के लिए नए स्थानों या नई रणनीतियों के साथ देखने का मार्गदर्शन मिलता है। खोज जारी है, लेकिन मानचित्र को एक बड़े "यहाँ कोई कछुआ नहीं मिला" क्षेत्र के साथ अपडेट कर दिया गया है।