Amplitude analysis and branching fraction measurement of
BESIII डिटेक्टर द्वारा एकत्र किए गए घटनाओं के एक बड़े नमूने का उपयोग करते हुए, यह अध्ययन के क्षय का पहला आंशिक-तरंग विश्लेषण (partial-wave analysis) करता है, जिसमें उत्तेजित अवस्थाओं ( और ) के प्रमुख योगदानों की पहचान की गई है और उनके द्रव्यमान, चौड़ाई तथा इस प्रक्रिया के शाखा अंश (branching fraction) को मापा गया है।
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ब्रह्मांड की कल्पना एक विशाल, ब्रह्मांडीय पिनबॉल मशीन के रूप में करें। इस मशीन के भीतर, सूक्ष्म कण इधर-उधर टकराते हैं, एक-दूसरे से भिड़ते हैं, और कभी-कभी नए, क्षणिक रूपों में टूटकर बिखर जाते हैं। चीन में BESIII प्रयोग के भौतिकविद् वर्षों से इस पिनबॉल टेबल को देख रहे हैं, और उन्होंने J/ψ नामक एक विशिष्ट कण के 10 अरब से अधिक टकरावों से डेटा एकत्र किया है।
इस नवीनतम अध्ययन में, उन्होंने एक बहुत ही विशिष्ट, दुर्लभ टकराव पर ध्यान केंद्रित किया: जब एक J/ψ कण अन्य तीन कणों—एक लैम्ब्डा बेरियन (), एक एंटी-सिग्मा बेरियन (), और एक एटा मेसॉन ()—में टूट जाता है। यह बिल्कुल वैसा ही है जैसे किसी एकल बिलियर्ड बॉल को तीन विशिष्ट, घूमते हुए टुकड़ों में टूटते हुए देखना।
मुख्य खोज: "भूतिया" कणों को खोजना
असली जादू केवल टकराव को देखने में नहीं है; बल्कि यह समझने में है कि यह कैसे हुआ। वैज्ञानिकों को संदेह है कि J/ψ केवल यादृच्छिक (randomly) रूप से नहीं टूटा। इसके बजाय, इसने संभवतः एक अस्थायी, उत्तेजित "मध्यस्थ" कण (एक रेजोनेंस) बनाया जो गायब होने से पहले एक सेकंड के अंश के लिए अस्तित्व में रहा।
ऊर्जा और कोणों का विश्लेषण करके, टीम ने एक जटिल "एम्प्लीट्यूड विश्लेषण" (amplitude analysis) किया (इसे एक उच्च-तकनीकी ऑडियो इक्वलाइज़र के रूप में सोचें जो शोर को संगीत से अलग करता है)। उन्होंने पाया कि डेटा को लैम्ब्डा कण की दो विशिष्ट उत्तेजित अवस्थाओं द्वारा सबसे अच्छी तरह समझाया जा सकता है:
- : यह एक सुस्थापित "भूतिया" कण है जो 1668.8 ± 3.1 ± 21.2 MeV/c² के द्रव्यमान और 52.7 ± 4.2 ± 17.8 MeV की चौड़ाई (यह कितनी देर तक रहता है) के साथ दिखाई देता है। टीम ने इसे अत्यधिक विश्वास (20σ से अधिक, जो कि भूसे के ढेर में सुई खोजने और 100% सुनिश्चित होने जैसा है) के साथ पाया।
- : यह थोड़ा अधिक रहस्यमय है। डेटा सुझाव देता है कि एक दूसरा कण मौजूद है जिसका द्रव्यमान 1881.5 ± 16.5 ± 20.3 MeV/c² और चौड़ाई 82.4 ± 18.2 ± 8.9 MeV है। जबकि पार्टिकल डेटा ग्रुप (कणों का विश्वकोश) एक को सूचीबद्ध करता है, इसका अस्तित्व विवादास्पद रहा है। यह अध्ययन इसके लिए मजबूत साक्ष्य पाता है (लगभग 10.9σ विश्वास), हालांकि टीम ने उल्लेख किया है कि एक दूसरा कण, , एक थोड़ा कम संभावित विकल्प है। उन्होंने इसे पूरी तरह से खारिज नहीं किया, लेकिन पसंदीदा अनुमान है।
उन्होंने क्या खारिज किया
वैज्ञानिक बहुत सावधान रहे कि वे केवल अनुमान न लगाएं। उन्होंने कई अन्य संभावनाओं का परीक्षण किया, जिसमें विभिन्न प्रकार के उत्तेजित कण और विभिन्न स्पिन के संयोजन शामिल थे।
- उन्होंने स्पष्ट रूप से पाया कि एंटी-सिग्मा और एटा जोड़े () के द्रव्यमान वितरण में कोई स्पष्ट संरचना दिखाई नहीं दी। इसलिए, उन्होंने इस विशिष्ट विश्लेषण में उत्तेजित एंटी-सिग्मा कणों की तलाश नहीं की।
- उन्होंने यह भी जांचा कि क्या दूसरा कण (जिसका स्पिन अलग है) हो सकता है। हालांकि गणित ने इसकी अनुमति दी, लेकिन फिट थोड़ा खराब था। पेपर सुझाव देता है कि बेहतर मिलान है, लेकिन यह दावा नहीं करता कि उसने इसे पूर्णता के साथ "हल" कर दिया है।
"कितनी बार" का प्रश्न
टीम ने यह भी गिना कि यह विशिष्ट तीन-टुकड़ों वाला टूटना कितनी बार होता है। उनके द्वारा अध्ययन किए गए सभी J/ψ कणों में से, यह विशिष्ट क्षय (decay) हर 100,000 में से लगभग 3.44 ± 0.11 ± 0.13 बार हुआ। यह एक दुर्लभ घटना है, लेकिन उनके विशाल डेटासेट के साथ, वे इसे सटीकता से माप सके।
वे कितने आश्वस्त हैं?
परिणाम BESIII डिटेक्टर द्वारा एकत्र किए गए 10,087 ± 44 मिलियन J/ψ घटनाओं के वास्तविक डेटा पर आधारित हैं।
- की खोज अत्यंत ठोस है।
- की पहचान बहुत मजबूत है, लेकिन पेपर स्वीकार करता है कि इसकी एक छोटी सी संभावना है कि यह कुछ और (जैसे ) हो सकता है।
- द्रव्यमान और चौड़ाई के माप "एरर बार्स" (अनिश्चितताओं) के साथ आते हैं। उदाहरण के लिए, का द्रव्यमान 1881.5 मापा गया है, लेकिन वास्तविक मान ± 16.5 (सांख्यिकीय) और ± 20.3 (सिस्टमैटिक) की सीमा के भीतर थोड़ा अधिक या कम हो सकता है।
संक्षेप में, वैज्ञानिकों ने सफलतापूर्वक एक दुर्लभ ब्रह्मांडीय टकराव में दो उत्तेजित लैम्ब्डा कणों के "पदचिह्न" मैप कर दिए हैं। उन्होंने केवल अनुमान नहीं लगाया; उन्होंने कणों के पदचिह्न मापे, उनका वजन किया और गायब होने से पहले उनके नृत्य के समय को मापा, और साथ ही एक थोड़े कम निश्चित उम्मीदवार के प्रति बहुत खुला दिमाग भी रखा।
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