Evidence for the rare decay
LHCb के 13 TeV प्रोटॉन-प्रोटॉन टक्कर डेटा का उपयोग करते हुए, शोधकर्ता प्रणाली के निम्न इनवैरिएंट-मास क्षेत्र में 3.5 मानक विचलन (standard deviations) की सार्थकता के साथ दुर्लभ क्षय के साक्ष्य की रिपोर्ट करते हैं, जिसमें लगभग का ब्रांचिंग फ्रैक्शन मापा गया है, जबकि उच्च-द्रव्यमान क्षेत्र के लिए ऊपरी सीमाएँ निर्धारित की गई हैं।
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कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड एक विशाल, ब्रह्मांडीय निर्माण स्थल (construction site) है जहाँ कणों जैसे नन्हे निर्माण खंडों को लगातार बनाया, आपस में टकराया और तोड़ा जा रहा है। अधिकांश समय, ये कण एक सख्त नियम पुस्तिका का पालन करते हैं जिसे 'स्टैंडर्ड मॉडल' कहा जाता है, जो भविष्यवाणी करता है कि उन्हें वास्तव में कैसे व्यवहार करना चाहिए। लेकिन कभी-कभी, प्रकृति एक अप्रत्याशित मोड़ ले लेती है। इस निर्माण स्थल के एक विशिष्ट कोने में, भारी कण जिन्हें "B मेसॉन" (B mesons) कहा जाता है, बहुत ही अनुमानित तरीकों से टूटने (decay होने) के लिए जाने जाते हैं। हालाँकि, भौतिक विज्ञानी "दुर्लभ क्षय" (rare decays) की तलाश में हैं—ऐसे क्षण जहाँ एक B मेसॉन कणों के एक अजीब संयोजन में टूट जाता है जो या तो अक्सर नहीं होता, या शायद पुराने नियम पुस्तिका के अनुसार बिल्कुल नहीं होना चाहिए।
एक B मेसॉन को एक भारी, शानदार खिलौने के रूप में सोचें जो आमतौर पर दो विशिष्ट टुकड़ों में टूट जाता है। लेकिन क्या होगा यदि, कभी-कभार, यह एक प्रोटॉन, एक एंटीप्रोटॉन और म्यूऑन्स (muons - जो भारी इलेक्ट्रॉन्स की तरह हैं) की एक जोड़ी में बिखर जाता है? यदि हम इसे होते हुए देखते हैं, तो यह एक बहुत बड़ा सुराग है। इसका मतलब यह हो सकता है कि अदृश्य "भूतिया" (ghostly) कण या नए बल काम कर रहे हैं, जो खिलौने को उस तरह से अलग करने के लिए धकेल रहे हैं जिसकी भविष्यवाणी स्टैंडर्ड मॉडल ने नहीं की थी। ये दुर्लभ घटनाएँ एक बजरी के ढेर में एक अकेले, पूर्ण हीरे को खोजने जैसी हैं; वे खोजने में अविश्वसनीय रूप से कठिन हैं, लेकिन यदि आप एक भी पा लेते हैं, तो यह भौतिकी के नियमों को फिर से लिख सकता है।
भूतिया टूटन की खोज (The Hunt for the Ghostly Breakup)
इस शोध पत्र में, CERN में LHCb सहयोग एक टीम की तरह कार्य करता है जो डेटा के एक विशाल ढेर को स्कैन करने वाले अत्यंत सटीक जासूसों की तरह है। उन्होंने लार्ज हैड्रोन कोलाइडर (Large Hadron Collider) नामक एक विशाल कण त्वरक से प्राप्त टकरावों का अध्ययन किया, जहाँ प्रोटॉन को 13 TeV की गति पर आपस में टकराया गया था। तीन वर्षों (2016-2018) में, उन्होंने 5.4 इनवर्स फेमटोबार्न (एक इकाई कि उन्होंने कितने टकराव देखे) के बराबर डेटा का पहाड़ एकत्र किया। उनका लक्ष्य क्या था? एक लैम्ब्डा बैरियन (Lambda baryon), एक प्रोटॉन और दो म्यूऑन्स () में टूटने के दौरान मेसॉन को रंगे हाथों पकड़ना था।
यह एक कठिन मामला है क्योंकि सिग्नल अविश्वसनीय रूप से धुंधला है। यह एक शोर भरे स्टेडियम की भीड़ के बीच एक विशिष्ट नोट बजाते हुए एक अकेले वायलिन को सुनने जैसा है। ऐसा करने के लिए, टीम ने एक परिष्कृत फ़िल्टर बनाया जो एक "बूस्टेड डिसीजन ट्री" (एक प्रकार का कंप्यूटर मस्तिष्क) का उपयोग करता है ताकि वास्तविक सिग्नल को बैकग्राउंड शोर से अलग किया जा सके। उन्होंने अपने मापन को कैलिब्रेट करने के लिए, यह सुनिश्चित करने के लिए कि उनके उपकरण सही ढंग से काम कर रहे हैं, एक "कंट्रोल ग्रुप"—एक ज्ञात, सामान्य क्षय ()—का भी उपयोग किया।
खोज: एक फुसफुसाहट, शोर नहीं (The Discovery: A Whisper, Not a Shout)
डेटा को छानने के बाद, टीम को कुछ रोमांचक मिला, हालांकि यह पूरी तरह से निर्णायक जीत नहीं थी। उस क्षेत्र में जहाँ लैम्ब्डा और प्रोटॉन एक-दूसरे के सापेक्ष धीमी गति से चल रहे हैं (विशेष रूप से, जब उनका संयुक्त द्रव्यमान 2.8 GeV/c² से कम है), उन्होंने घटनाओं का एक अतिरिक्त समूह (excess) देखा। उन्होंने लगभग 15.5 ऐसी घटनाओं को गिना जो उस दुर्लभ क्षय की तरह दिख रही थीं जिसकी वे तलाश कर रहे थे।
इस खोज की सांख्यिकीय सार्थकता (statistical significance) 3.5 मानक विचलन (standard deviations) है। कण भौतिकी की दुनिया में, यह एक बहुत स्पष्ट फुसफुसाहट सुनने जैसा है कि आप 99.9% आश्वस्त हैं कि यह केवल हवा नहीं है, लेकिन यह एक "खोज" (discovery) कहलाने के लिए पर्याप्त तेज़ शोर नहीं है (जिसके लिए आमतौर पर 5-सिग्मा, या 99.9999% निश्चितता की आवश्यकता होती है)। शोध पत्र इसे निश्चित "अवलोकन" (Observation) के बजाय "साक्ष्य" (Evidence) कहता है।
टीम ने यह मापा कि यह कितनी बार होता है, जिसे 'ब्रांचिंग फ्रैक्शन' (branching fraction) कहा जाता है। लो-मास (low-mass) क्षेत्र के लिए, उन्होंने पाया:
इसका अर्थ है कि यह घटना प्रत्येक 100 मिलियन क्षयों में से लगभग 1.7 बार होती है, जिसमें मापन अनिश्चितताओं के कारण कुछ अंतर की गुंजाइश है।
उन्होंने क्या नहीं पाया
कहानी केवल इस बारे में नहीं है जो उन्होंने पाया; यह इस बारे में भी है कि उन्होंने क्या नहीं पाया। जब उन्होंने हाई-मास (high-mass) क्षेत्र में देखा (जहाँ लैम्ब्डा और प्रोटॉन तेज़ गति से चल रहे हैं, 2.8 GeV/c² से ऊपर), तो उन्हें कुछ भी नहीं मिला। कोई अतिरिक्त घटना नहीं, कोई सिग्नल नहीं, केवल बैकग्राउंड शोर। इसके कारण, उन्होंने एक ऊपरी सीमा निर्धारित की: यदि यह दुर्लभ क्षय उस उच्च-गति वाले क्षेत्र में होता है, तो यह 100 मिलियन में से 2.8 बार से कम होता है (90% विश्वास स्तर पर)।
यह क्यों महत्वपूर्ण है
इस तथ्य का महत्व यह है कि उन्होंने लो-मास क्षेत्र में यह "फुसफुसाहट" देखी, क्योंकि यह "थ्रेशोल्ड एन्हांसमेंट" (threshold enhancement) नामक एक घटना की ओर संकेत करता है। यह एक फैंसी तरीका है यह कहने का कि जब लैम्डा और प्रोटॉन मुश्किल से एक-दूसरे से अलग हो रहे होते हैं, तो वे एक साथ चिपके रहने या विशेष रूप से परस्पर क्रिया करने लगते हैं जो घटनाओं की संख्या को बढ़ा देता है। यह व्यवहार अन्य कणों के टूटने में भी देखा गया है, लेकिन म्यूऑन्स के शामिल होने वाले इस विशिष्ट, दुर्लभ क्षय में इसे देखना, पहेली का एक नया हिस्सा है।
हालाँकि परिणाम वर्तमान में कुछ पुराने सैद्धांतिक अनुमानों से कम है, फिर भी यह त्रुटि की सीमा के भीतर उनके साथ संगत है। शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि यह पहली बार है जब किसी ने म्यूऑन्स के साथ इस विशिष्ट बैरियन-एंटीबैरियन क्षय की खोज की है। यह अभी तक यह साबित नहीं करता कि नए भौतिक विज्ञान का अस्तित्व है, लेकिन यह आधार तैयार करता है। यह दिखाता है कि "भूतिया टूटन" इतनी वास्तविक है कि इसे देखा जा सकता है, और यह समझने के लिए कि ये भारी कण हल्के कणों में वास्तव में कैसे बदलते हैं, अधिक विस्तृत अध्ययन का निमंत्रण देता है। खोज जारी है, और इस बार, जासूसों के पास एक बहुत मजबूत सुराग है।
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