⚛️ high-energy experiments

Search for quantum black holes in lepton+jet final states using proton-proton collisions at $\sqrt{s}=13.6$ TeV with the ATLAS detector

रन 3 के दौरान ATLAS डिटेक्टर द्वारा एकत्र किए गए 13.6 TeV पर प्रोटॉन-प्रोटॉन टकराव के 164 fb⁻¹ डेटा का उपयोग करते हुए, यह अध्ययन लीप्टॉन+जेट (lepton+jet) अंतिम अवस्थाओं में क्वांटम ब्लैक होल उम्मीदवारों के किसी महत्वपूर्ण अतिरिक्त (excess) की अनुपस्थिति की रिपोर्ट करता है और 9.4 TeV के द्रव्यमान पैमाने तक पहुँचते हुए आज तक के विश्व के सबसे मजबूत निष्कासन सीमा (exclusion limits) स्थापित करता है।

मूल लेखक: ATLAS Collaboration

प्रकाशित 2026-04-22

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CC BY 4.0

मूल लेखक: ATLAS Collaboration

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

ब्रह्मांडीय "स्मैश-एंड-ग्रैब": CERN में नन्हे ब्लैक होल्स की खोज

कल्पना कीजिए कि लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (LHC) दुनिया की सबसे शक्तिशाली ब्रह्मांडीय पिनबॉल मशीन है। यह एक-दूसरे से टकराने के लिए प्रोटॉन जैसे सूक्ष्म कणों को लगभग प्रकाश की गति से टकराती है, जिससे बिग बैंग के ठीक एक सेकंड बाद की ब्रह्मांडीय स्थितियों को फिर से बनाया जा सके।

इस नए शोध पत्र में, ATLAS सहयोग (हजारों वैज्ञानिकों की एक टीम) "वेयर्स वाल्डो?" (Where's Waldo?) का एक बहुत ही विशिष्ट खेल खेल रही है। वे कुछ अविश्वसनीय रूप से विलक्षण (exotic) खोज रहे हैं: क्वांटम ब्लैक होल्स (QBHs)।

यहाँ उनके मिशन का सरल विवरण दिया गया है:

1. बड़ी समस्या: गुरुत्वाकर्षण अजीब क्यों है?

वैज्ञानिकों के पास इस बात के दो नियम (rulebooks) हैं कि ब्रह्मांड कैसे काम करता है:

छोटी चीजें: क्वांटम मैकेनिक्स (परमाणु, कण)।
बड़ी चीजें: जनरल रिलेटिविटी (गुरुत्वाकर्षण, ग्रह, तारे)।

समस्या यह है कि ये दोनों नियम आपस में मेल नहीं खाते। गुरुत्वाकर्षण अन्य बलों की तुलना में रहस्यमय रूप से कमजोर है। आखिर क्यों एक छोटा सा चुंबक पूरी पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण के विरुद्ध एक पेपरक्लिप को उठाने के लिए पर्याप्त मजबूत है?

सिद्धांत: कुछ भौतिकविदों का मानना है कि गुरुत्वाकर्षण वास्तव में कमजोर नहीं है; यह बस उन अतिरिक्त आयामों (extra dimensions) में रिस रहा है जिन्हें हम देख नहीं सकते। एक मकड़ी के जाल (हमारी 3D दुनिया) की कल्पना करें जहाँ मकड़ी (गुरुत्वाकर्षण) वास्तव में विशाल है, लेकिन उसके पैर चौथे या पांचवें आयाम में फैले हुए हैं। यदि हम पर्याप्त करीब पहुँच सकें, तो गुरुत्वाकर्षण अचानक बहुत शक्तिशाली हो जाएगा।

2. लक्ष्य: एक नन्हा ब्लैक होल बनाना

यदि ये अतिरिक्त आयाम मौजूद हैं, तो दो प्रोटॉन को पर्याप्त जोर से टकराने से एक क्वांटम ब्लैक होल बन जाना चाहिए।

सामान्य ब्लैक होल्स: एक ब्लैक होल को अंतरिक्ष में एक विशाल, भूखे वैक्यूम क्लीनर की तरह समझें। यह आसपास की हर चीज़ को निगल लेता है और अरबों वर्षों में धीरे-धीरे गर्मी छोड़ता है।
क्वांटम ब्लैक होल्स: ये "माइक्रो" संस्करण हैं। ये इतने छोटे होते हैं कि इनके पास "भूखा" होने का समय नहीं होता। धीरे-धीरे खाने के बजाय, ये तुरंत कणों की बौछार में फट (explode) जाते हैं।

ATLAS टीम एक बहुत ही विशिष्ट विस्फोट की तलाश कर रही है: एक लेप्टोन + जेट (Lepton + Jet)।

लेप्टोन: एक उच्च-ऊर्जा वाला इलेक्ट्रॉन या म्यूऑन (इलेक्ट्रॉन का भारी चचेरा भाई)।
जेट: क्वार्क (प्रोटॉन के निर्माण खंड) से उत्पन्न कणों की एक बौछार।

यदि वे केवल इन दो चीजों का एक विशाल विस्फोट देखते हैं, तो यह एक क्वांटम ब्लैक होल का पुख्ता सबूत होगा।

3. अपग्रेड: अब क्यों?

LHC को हाल ही में एक 'पावर-अप' मिला है। यह पहले 13 TeV (टेरा-इलेक्ट्रॉनवोल्ट, ऊर्जा की एक इकाई) पर चलता था। अब, यह 13.6 TeV पर चलता है।

उपमा: कल्पना कीजिए कि आप एक विशिष्ट, बहुत सख्त अखरोट को तोड़ने की कोशिश कर रहे हैं।

13 TeV पर, आप इसे हथौड़े से मारते हैं। यह शायद टूट जाए, लेकिन यह कठिन है।
13.6 TeV पर, आप इसे थोड़े भारी हथौड़े से मारते हैं।
पेंच (The Catch): अतिरिक्त आयामों के गणित के कारण, 0.6 TeV की यह मामूली वृद्धि केवल हिट को 5% कठिन नहीं बनाती। यह सबसे भारी ब्लैक होल्स के लिए अखरोट तोड़ने की संभावना को 100% से 1000% तक अधिक बना देती है।

यह ऐसा है जैसे पता चलना कि थोड़ा उच्च तापमान बर्फ को केवल थोड़ा तेज़ नहीं पिघलाता; बल्कि यह बर्फ के पूरे ब्लॉक को तुरंत पानी में बदल देता है। इस ऊर्जा वृद्धि ने वैज्ञानिकों की इन ब्लैक होल्स को खोजने की संभावनाओं में भारी उछाल दिया।

4. खोज: "भूत" की तलाश

टीम ने 2022 और 2024 के बीच एकत्र किए गए 164 "फेम्टोबार्स" (टकराव डेटा की एक इकाई) डेटा का विश्लेषण किया। यह बहुत सारा डेटा है!

उन्होंने इलेक्ट्रॉन/म्यूऑन और जेट के "इनवेरिएंट मास" (invariant mass) का विश्लेषण किया।

बैकग्राउंड शोर (Background Noise): अधिकांश समय, जब प्रोटॉन टकराते हैं, तो वे मलबे (जैसे कार दुर्घटना) पैदा करते हैं। यह "शोर" है।
सिग्नल: यदि कोई क्वांटम ब्लैक होल मौजूद है, तो वह एक बहुत ही विशिष्ट, साफ, उच्च-ऊर्जा जोड़ी (लेप्टोन + जेट) बनाएगा जो शोर के बीच अलग से दिखाई देगी।

परिणाम: उन्हें कुछ नहीं मिला।
कोई क्वांटम ब्लैक होल नहीं देखा गया। डेटा बिल्कुल वैसा ही था जैसा कि स्टैंडर्ड मॉडल (भौतिकी का हमारा वर्तमान सर्वश्रेष्ठ सिद्धांत) ने भविष्यवाणी की थी।

5. सिल्वर लाइनिंग: "नो-गो" ज़ोन निर्धारित करना

सिर्फ इसलिए कि उन्हें ब्लैक होल नहीं मिले, इसका मतलब यह नहीं है कि प्रयोग विफल रहा। विज्ञान में, चीजों को खारिज करना भी उतना ही महत्वपूर्ण है जितना कि उन्हें खोजना।

इसे अंधेरे कमरे में खोई हुई चाबी खोजने जैसा समझें।

यदि आपको चाबी मिल जाती है, तो आप खुश होते हैं।
यदि आपको वह नहीं मिलती है, लेकिन आपके पास एक बहुत तेज़ टॉर्च है और आपने हर एक कोना चेक किया है, तो आप आत्मविश्वास से कह सकते हैं: "चाबी इस कमरे में नहीं है।"

ATLAS टीम ने अपने शक्तिशाली "टॉर्च" (13.6 TeV ऊर्जा) का उपयोग यह कहने के लिए किया कि:

"यदि क्वांटम ब्लैक होल्स मौजूद हैं, तो वे 9.4 TeV से भारी होने चाहिए।"
यह इन कणों के लिए अब तक की सबसे भारी सीमा (limit) है। उन्होंने "नो-गो" ज़ोन को पहले से कहीं अधिक आगे धकेल दिया है।

सारांश

उन्होंने क्या किया: रिकॉर्ड ऊर्जा स्तरों पर प्रोटॉन को आपस में टकराया ताकि यह देखा जा सके कि क्या वे छोटे, फटने वाले ब्लैक होल्स बना सकते हैं।
उन्हें क्या मिला: कुछ नहीं। ब्रह्मांड ने इस बार अपना रहस्य नहीं बताया।
यह क्यों मायने रखता है: उन्होंने साबित कर दिया कि यदि ये ब्लैक होल्स मौजूद हैं, तो वे हमारी सोच से भी अधिक भारी और खोजने में कठिन हैं। यह भौतिकविदों को अपनी थ्योरी पर पुनर्विचार करने या भविष्य में और भी शक्तिशाली मशीनों की प्रतीक्षा करने के लिए मजबूर करता है।

खोज जारी है, लेकिन फिलहाल के लिए, ब्रह्मांड अपने अतिरिक्त आयामों और क्वांटम ब्लैक होल्स को छिपाए हुए है!

यहाँ ATLAS सहयोग के शोध पत्र " $\sqrt{s}= 13.6$ TeV पर ATLAS डिटेक्टर के साथ प्रोटॉन-प्रोटॉन टकरावों का उपयोग करते हुए लेप्टॉन+जेट अंतिम अवस्थाओं में क्वांटम ब्लैक होल की खोज" का विस्तृत तकनीकी सारांश दिया गया है।

1. समस्या और प्रेरणा

यह खोज हायरार्की समस्या (hierarchy problem) को संबोधित करती है, जो इलेक्ट्रोवीक स्केल ( $\sim 10^2$ GeV) और प्लैंक स्केल ( $\sim 10^{19}$ GeV) के बीच का विशाल अंतर है। एक्स्ट्रा डायमेंशन (EDs) से संबंधित सिद्धांत, विशेष रूप से अर्कानी-हामेड, डिमोप्लोस और डीवी (ADD) मॉडल और रैंडल-सुंड्र (RS) मॉडल, यह प्रस्तावित करते हैं कि गुरुत्वाकर्षण अतिरिक्त आयामों में प्रसारित होता है, जिससे मौलिक गुरुत्वाकर्षण स्केल ( $M_D$ ) कम होकर TeV रेंज में आ जाता है।

यदि $M_D$ पर्याप्त कम है, तो लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (LHC) पर प्रोटॉन-प्रोटॉन टकराव क्वांटम ब्लैक होल्स (QBHs) उत्पन्न कर सकते हैं। सेमी-क्लासिकल ब्लैक होल्स के विपरीत, जो उच्च-मल्टीप्लिसिटी अवस्थाओं में हॉकिंग रेडिएशन के माध्यम से तापीय रूप से क्षय होते हैं, QBHs के बारे में यह माना जाता है कि वे तुरंत दो-कणों वाली अंतिम अवस्थाओं में क्षय हो जाते हैं। यह विश्लेषण विशेष रूप से उन QBHs को लक्षित करता है जो लेप्टॉन + जेट ( $\ell + \bar{q}$ ) अंतिम अवस्थाओं में क्षय होते हैं।

इस विशिष्ट विश्लेषण के लिए एक महत्वपूर्ण प्रेरणा सेंटर-ऑफ-मास ऊर्जा ( $\sqrt{s}$ ) पर QBH उत्पादन क्रॉस-सेक्शन ( $\sigma_{QBH}$ ) की मजबूत निर्भरता है। रन 2 ( $\sqrt{s}=13$ TeV) से रन 3 ( $\sqrt{s}=13.6$ TeV) में संक्रमण के परिणामस्वरूप $\sigma_{QBH}$ में नाटकीय वृद्धि होती है (उच्च बिजोर्केन- $x$ पर पार्टिकॉन डिस्ट्रीब्यूशन फंक्शन्स (PDFs) के कम हुए दमन के कारण, 10.5 TeV के द्रव्यमान के आसपास 1000% तक), जो उच्च द्रव्यमान वाले भागनों (partons) के लिए कम दमन के कारण है। यह रन 2 के समान डेटासेट आकार के बावजूद काफी बेहतर बहिष्करण सीमाएं (exclusion limits) प्रदान करता है।

2. कार्यप्रणाली

डेटा और सिमुलेशन

डेटासेट: यह विश्लेषण 2022-2024 रन 3 अवधि के दौरान $\sqrt{s}=13.6$ TeV पर ATLAS डिटेक्टर द्वारा रिकॉर्ड किए गए $164 \text{ fb}^{-1}$ प्रोटॉन-प्रोटॉन टकराव डेटा का उपयोग करता है।
सिग्नल मॉडल: QBHs को QBH v3.02 जनरेटर का उपयोग करके सिम्युलेट किया गया है।
- ADD मॉडल: $n=2, 4, 6$ अतिरिक्त आयामों को मानता है।
- RS मॉडल: $n=1$ वार्प्ड एक्स्ट्रा डायमेंशन को मानता है।
- थ्रेशोल्ड मास ( $M_{th}$ ): 6 से 10.5 TeV तक की सीमा में है। विश्लेषण उस द्रव्यमान क्षेत्र $(1-3)M_{th}$ पर ध्यान केंद्रित करता है जहाँ क्वांटम प्रभाव हावी होते हैं।
बैकग्राउंड्स: प्रमुख बैकग्राउंड्स में $W$ +jets, $Z$ +jets, $VV $(डिबोसन), और टॉप-क्वार्क प्रक्रियाएं ($ t\bar{t}$, सिंगल-टॉप) शामिल हैं। इन्हें मॉन्टे कार्लो (MC) सिमुलेशन (Sherpa, Powheg, MadGraph) का उपयोग करके मॉडल किया गया है।
फेक्स (Fakes): नॉन-प्रॉम्प्ट इलेक्ट्रॉन्स (फोटॉन रूपांतरण या जेट्स से गलत पहचाने गए इलेक्ट्रॉन) का अनुमान मैट्रिक्स मेथड (MM) का उपयोग करके लगाया जाता है, जो डेटा-ड्रिवन तकनीकों पर आधारित है।

इवेंट सिलेक्शन

यह खोज उच्च इनवेरिएंट मास ( $m_{\ell j}$ ) वाले इलेक्ट्रॉन+जेट और म्यूऑन+जेट अंतिम अवस्थाओं को लक्षित करती है।

लेप्टॉन चयन:
- इलेक्ट्रॉन: $p_T > 150$ GeV, $|\eta| < 2.47$ (ट्रांजिशन क्षेत्रों को छोड़कर), टाइट आइडेंटिफिकेशन, और हाई- $p_T$ आइसोलेशन।
- म्यूऑन: $p_T > 150$ GeV, $|\eta| < 2.5$ , हाई- $p_T$ आइडेंटिफिकेशन, और PflowTightVarRad आइसोलेशन।
जेट चयन: एंटी- $k_t$ एल्गोरिदम ( $R=0.4$ ) के साथ पुनर्गठित, $p_T > 130$ GeV, $|\eta| < 2.5$ ।
सिग्नल रीजन (SR) कट्स:
- ठीक एक सिग्नल लेप्टॉन और कम से कम एक सिग्नल जेट।
- इनवेरिएंट मास $m_{\ell j} > 3$ TeV।
- कोणीय पृथक्करण (Angular separation): $\Delta\phi_{\ell j} > 2.8$ और $\Delta\eta_{\ell j} < 3.25$ (QBH क्षय की बैक-टू-बैक टोपोलॉजी का लाभ उठाते हुए)।
- मिसिंग ट्रांसवर्स मोमेंटम सिग्निफिकेंस $S(p_T^{miss})$ का उपयोग सिग्नल को बैकग्राउंड से अलग करने के लिए किया जाता है।

बैकग्राउंड अनुमान

$W$ +jets और $Z$ +jets: नॉर्मलाइजेशन फैक्टर्स लोअर मास रेंज ($1.0-2.0$ TeV) में कंट्रोल रीजन (CRs) से प्राप्त किए जाते हैं और वैलिडेशन रीजन (VRs) में सत्यापित किए जाते हैं।
फेक इलेक्ट्रॉन्स: समर्पित "फेक-एनरिच्ड" CR ( $f$ CR) में मैट्रिक्स मेथड का उपयोग करके और एक "फेक VR" ( $f$ VR) में सत्यापित करके अनुमान लगाया जाता है।
फिट प्रक्रिया: बैकग्राउंड नॉर्मलाइजेशन और सिस्टमैटिक अनसर्टेन्टी को नियंत्रित करने के लिए सिग्नल रीजन, $W$ CR, और $Z$ CR में एक साथ प्रोफ़ाइल-लाइक्लीहुड फिट किया जाता है।

सिस्टमैटिक अनसर्टेन्टी (व्यवस्थित अनिश्चितताएं)

प्रमुख अनिश्चितताओं में शामिल हैं:

सैद्धांतिक (Theoretical): $W/Z$ +jets के लिए QCD स्केल वेरिएशंस और PDF अनसर्टेन्टी ( $\sim 30\%$ )।
प्रायोगिक (Experimental): लेप्टॉन/जेट एनर्जी स्केल्स, रेजोल्यूशन, आइडेंटिफिकेशन एफिशिएंसी, और ल्युमिनोसिटी ( $\sim 1.8\%$ )।
फेक्स (Fakes): फेक इलेक्ट्रॉन्स की उत्पत्ति (लाइट-फ्लेवर डिके बनाम फोटॉन कन्वर्जन) में अनसर्टेन्टी और $f$ CR में सांख्यिकीय सीमाएं।

3. मुख्य योगदान

प्रथम रन 3 परिणाम: यह $\sqrt{s}=13.6$ TeV पर पूर्ण रन 3 डेटासेट का उपयोग करने वाला पहला ATLAS खोज है।
ऊर्जा संवेदनशीलता: यह स्पष्ट रूप से उच्च द्रव्यमान वाले BSM फिजिक्स के लिए ऊर्जा में 0.6 TeV की वृद्धि से होने वाले भारी लाभ को प्रदर्शित करता है, जो QBH उत्पादन क्रॉस-सेक्शन को कई गुना बढ़ा देता है।
चैनल पृथक्करण: विश्लेषण इलेक्ट्रॉन और म्यूऑन चैनलों को अलग से मानता है, यह देखते हुए कि इलेक्ट्रॉन चैनल बेहतर मोमेंटम रेजोल्यूशन और कम बैकग्राउंड स्तरों के कारण बेहतर संवेदनशीलता प्रदान करता है।
डेटा-ड्रिवन बैकग्राउंड्स: हाई-मास रिजीम में फेक इलेक्ट्रॉन अनुमान के लिए मैट्रिक्स मेथड का मजबूत अनुप्रयोग।

4. परिणाम

अवलोकन (Observation): इलेक्ट्रॉन या म्यूऑन दोनों चैनलों में स्टैंडर्ड मॉडल (SM) बैकग्राउंड से घटनाओं का कोई महत्वपूर्ण अतिरिक्त (excess) नहीं देखा गया।
उच्चतम द्रव्यमान वाली घटनाएं:
- इलेक्ट्रॉन चैनल: उच्चतम देखी गई घटना $m_{\ell j} = 5.3$ TeV पर।
- म्यूऑन चैनल: उच्चतम देखी गई घटना $m_{\ell j} = 5.5$ TeV पर।
- दोनों घटनाएं SM बैकग्राउंड अपेक्षाओं के अनुरूप हैं।
बहिष्करण सीमाएं (Exclusion Limits - 95% CL):
- RS मॉडल ( $n=1$ ): थ्रेशोल्ड मास $M_{th} < 7.2$ TeV के लिए बहिष्कृत।
- ADD मॉडल ( $n=6$ ): थ्रेशोल्ड मास 9.4 TeV (इलेक्ट्रॉन चैनल) और 9.0 TeV (म्यूऑन चैनल) तक बहिष्कृत।
- इलेक्ट्रॉन चैनल, बेहतर मास रेजोल्यूशन (इलेक्ट्रॉन+जेट रेजोल्यूशन < 5% बनाम म्यूऑन+जेट 25–30%) के कारण म्यूऑन चैनल की तुलना में लगभग 3 गुना अधिक संवेदनशील सीमाएं प्रदान करता है।
तुलना: ये सीमाएं लेप्टॉन+जेट अंतिम अवस्थाओं में क्वांटम ब्लैक होल उत्पादन के लिए अब तक की दुनिया की सबसे मजबूत बहिष्करण सीमाएं हैं, जो केवल ऊर्जा लाभ के कारण रन 2 के पिछले परिणामों से आगे निकल गई हैं, जबकि एकीकृत ल्युमिनोसिटी समान है।

5. महत्व

यह शोध पत्र एक्स्ट्रा डायमेंशन और क्वांटम ग्रेविटी सिग्नेचर की खोज में वर्तमान सीमा को स्थापित करता है।

ऊर्जा स्केलिंग का सत्यापन: यह पुष्टि करता है कि कोलिजन एनर्जी में मामूली वृद्धि (13 TeV $\to$ 13.6 TeV) उच्च-मास BSM फिजिक्स के लिए भारी संवेदनशीलता प्रदान करती है, जो रन 3 की रणनीति को मान्य करती है।
कठोर प्रतिबंध: 9.4 TeV तक QBH उत्पादन को बहिष्कृत करके, यह विश्लेषण ADD और RS मॉडलों के पैरामीटर स्पेस को गंभीर रूप से सीमित करता है, जिससे मौलिक गुरुत्वाकर्षण स्केल ( $M_D$ ) की निचली सीमा पहले से कहीं अधिक ऊपर चली जाती है।
मेथोडोलॉजिकल बेंचमार्क: यह विश्लेषण उच्च-मास रेजोनेंस और डेटा-ड्रिवन बैकग्राउंड अनुमान को संभालने के लिए एक मानक स्थापित करता है।

निष्कर्षतः, हालांकि क्वांटम ब्लैक होल्स का कोई प्रमाण नहीं मिला, लेकिन इस विश्लेषण ने नई भौतिकी के खोज स्थान को महत्वपूर्ण रूप से कम कर दिया है, जो एक्स्ट्रा-डायमेंशनल सिद्धांतों के संदर्भ में प्लैंक स्केल के करीब पहुँचने वाले ऊर्जा स्तरों की जांच करने की ATLAS डिटेक्टर की क्षमता को प्रदर्शित करता है।