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Search for charginos and neutralinos with $B-L$ $R$ -parity violating decays in $\sqrt{s}=13$ TeV and $13.6 $TeV$ pp$ collisions with the ATLAS detector

ATLAS प्रयोग ने $B-L$ $R$ -पैरिटी-उल्लंघनकारी कपलिंग के माध्यम से हिग्स बोसॉन और लेप्टॉन में क्षय होने वाले चार्जिनो और न्यूट्रालिनो की खोज के लिए 13 TeV और 13.6 TeV के 140 fb $^{-1}$ और 56 fb $^{-1}$ प्रोटॉन-प्रोटॉन टकराव डेटा का विश्लेषण किया, जिसमें नए भौतिकी का कोई प्रमाण नहीं मिला और 1100 GeV तक चार्जिनो और न्यूट्रालिनो द्रव्यमान पर 95% विश्वास स्तर के बहिष्करण सीमाएं निर्धारित कीं।

मूल लेखक: ATLAS Collaboration

प्रकाशित 2026-05-14

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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

कल्पना कीजिए कि लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (LHC) दुनिया का सबसे शक्तिशाली "कणों को टकराने वाला यंत्र" (particle smasher) है। यह प्रकाश की गति के लगभग बराबर गति से नन्हे प्रोटॉनों को आपस में टकराता है, जिससे ऊर्जा का एक अराजक विस्फोट होता है। आमतौर पर, यह ऊर्जा उन कणों में बदल जाती है जिन्हें हम जानते हैं और समझते हैं, जैसे इलेक्ट्रॉन और क्वार्क। लेकिन भौतिकविदों को संदेह है कि इस अराजकता के भीतर "सुपरपार्टनर्स" (superpartners) छिपे हुए हैं—हमारे ज्ञात कणों के रहस्यमयी, भारी जुड़वां, जिनकी भविष्यवाणी 'सुपरसिमेट्री' (SUSY) नामक एक सिद्धांत द्वारा की गई है।

यह शोध पत्र ATLAS प्रयोग की एक रिपोर्ट है, जो LHC पर स्थित एक विशाल डिटेक्टर है जो एक हाई-स्पीड, 360-डिग्री कैमरे की तरह काम करता है, जो इन रहस्यमयी जुड़वाओं की एक झलक पाने की कोशिश कर रहा है। विशेष रूप से, टीम दो प्रकार के सुपरपार्टनर्स की तलाश कर रही थी: चार्जिनोस (charginos) और न्यूट्रालिनोस (neutralinos)।

रहस्य: "R-पैरिटी" का नियम

इस सिद्धांत के कई संस्करणों में, R-पैरिटी नामक एक नियम है। R-पैरिटी को एक क्लब के सख्त बाउंसर की तरह समझें।

सामान्य कण (जैसे इलेक्ट्रॉन) का "R-वैल्यू" +1 होता है।
सुपरपार्टनर्स का "R-वैल्यू" -1 होता है।
नियम: यदि R-पैरिटी संरक्षित है, तो सुपरपार्टनर्स जोड़ों में बनाए जाने चाहिए, और वे कभी भी केवल सामान्य कणों में नहीं टूट सकते। सबसे हल्का सुपरपार्टनर स्थिर और अदृश्य होगा, जो एक भूत की तरह डिटेक्टर से बाहर निकल जाएगा।

हालाँकि, यह शोध पत्र एक अलग परिदृश्य की खोज करता है: R-पैरिटी उल्लंघन (RPV)। कल्पना कीजिए कि बाउंसर थक गया है और सुपरपार्टनर्स को सीधे सामान्य कणों में टूटने और बाहर निकलने की अनुमति दे देता है। इस विशिष्ट मॉडल में, चार्जिनोस और न्यूट्रालिनोस के हिग्स बोसोन (एक प्रसिद्ध कण जो अन्य कणों को द्रव्यमान देता है) और एक लेप्टॉन (इलेक्ट्रॉन, म्यूऑन या टौ) में टूटने की भविष्यवाणी की गई है।

खोज: "हिग्स सिग्नेचर" की तलाश

ATLAS टीम ने इन क्षय (decays) को पकड़ने के लिए एक बहुत ही विशिष्ट जाल बिछाया। वे जानते थे कि यदि कोई चार्जिनो या न्यूट्रालिनो हिग्स बोसोन में बदलता है, तो वह हिग्स बोसोन तुरंत दो बॉटम क्वार्क्स (जो डिटेक्टर में "जेट्स" के रूप में प्रकट होते हैं) में विभाजित हो जाएगा।

इसलिए, खोज रणनीति एक अस्त-व्यस्त कमरे में एक विशिष्ट पैटर्न को खोजने जैसी थी:

लेप्टॉन्स: उन्होंने एक या दो उच्च-ऊर्जा वाले इलेक्ट्रॉन या म्यूऑन (क्षय से प्राप्त "लेप्टॉन्स") वाले आयोजनों (events) की तलाश की।
हिग्स ट्विन्स: उन्होंने कम से कम तीन "जेट्स" की तलाश की जिन्हें बॉटम क्वार्क्स से आने वाला माना गया था। चूंकि सिग्नल में दो सुपरपार्टनर्स का क्षय शामिल है, इसलिए उन्हें दो हिग्स बोसोन दिखने की उम्मीद थी, जिसका अर्थ है चार बॉटम-क्वार्क जेट्स।
खोया हुआ हिस्सा: कुछ परिदृश्यों में, एक न्यूट्रिनो (एक अदृश्य कण) भी उत्पन्न होता है, जो कुछ ऊर्जा लेकर निकल जाता है। डिटेक्टर इसे "मिसिंग ट्रांसवर्स मोमेंटम" के रूप में मापता है।

डेटा: टकरावों का एक विशाल पुस्तकालय

टीम ने डेटा के एक विशाल पुस्तकालय का विश्लेषण किया:

समय सीमा: 2015 से 2023 तक के टकराव।
ऊर्जा: दो अलग-अलग ऊर्जा स्तर (13 TeV और 13.6 TeV)।
आयतन: उन्होंने 196 "इनवर्स फेम्टोबार्न" (inverse femtobarns) डेटा का विश्लेषण किया। इसे देखने के लिए, उन सभी टकरावों का एक स्नैपशॉट लेने की कल्पना करें जो उन वर्षों के दौरान हुए थे। यह एक ऐसा डेटासेट है जो इतना बड़ा है कि ATLAS द्वारा बनाए गए विशेष उपकरणों के बिना एक सुपरकंप्यूटर को इसे प्रोसेस करने में वर्षों लग जाएंगे।

परिणाम: भूत छिपे हुए रहे

लाखों आयोजनों की छंटनी करने के बाद, टीम को इन चार्जिनोस या न्यूट्रालिनोस का कोई प्रमाण नहीं मिला।

तुलना: उन्होंने जो देखा उसकी तुलना 'स्टैंडर्ड मॉडल' (भौतिकी का हमारा वर्तमान सर्वोत्तम सिद्धांत) के साथ की जो भविष्यवाणी करता है। डेटा स्टैंडर्ड मॉडल की भविष्यवाणियों से पूरी तरह मेल खाता है। यह एक जंगल में किसी विशिष्ट एलियन की तलाश करने और केवल हिरण, पेड़ और पक्षी खोजने जैसा है—जैसा कि आप उम्मीद करते हैं।
अपवर्जन (Exclusion): क्योंकि उन्हें वे कण नहीं मिले, इसलिए वे एक "घेरा" बना सके जहाँ ये कण नहीं हो सकते। उन्होंने निष्कर्ष निकाला कि यदि ये चार्जिनोस और न्यूट्रालिनोस मौजूद हैं और इस तरह से क्षय होते हैं, तो वे 1,100 GeV (प्रोटॉन के द्रव्यमान से लगभग 1,100 गुना) से अधिक भारी होने चाहिए। यदि वे इससे हल्के होते, तो ATLAS डिटेक्टर ने उन्हें अब तक देख लिया होता।

निष्कर्ष

यह शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि उस विशिष्ट परिदृश्य के लिए जहाँ ये सुपरपार्टनर्स हिग्स बोसोन और लेप्टॉन में क्षय होते हैं, "हल्के" संस्करण (150 और 1,100 GeV के बीच) अस्तित्व में नहीं हैं।

सरल शब्दों में: ATLAS टीम ने बहुत गहराई से खोज की कि क्या कोई विशिष्ट प्रकार का भारी, रहस्यमयी कण मौजूद है जो भौतिकी के सामान्य नियमों को तोड़ता है। उन्हें अपेक्षित बैकग्राउंड शोर के अलावा कुछ नहीं मिला। हालांकि यह साबित नहीं करता कि ये कण बिल्कुल भी मौजूद नहीं हैं, लेकिन यह हमें बताता है कि या तो वे हमारी सोच से कहीं अधिक भारी हैं, या वे उस तरह से क्षय नहीं होते जैसा कि इस विशिष्ट सिद्धांत ने भविष्यवाणी की थी। "न्यू फिजिक्स" की खोज जारी है, लेकिन यह विशेष दरवाजा फिलहाल बंद है।

तकनीकी सारांश: ATLAS डिटेक्टर के साथ $\sqrt{s}=13$ TeV और 13.6 TeV $pp $टकरावों में$ B-L$ $R$ -पैरिटी उल्लंघनकारी क्षय (decays) के साथ चार्eginos और neutralinos की खोज

समस्या और प्रेरणा
सुपरसिमेट्री (SUSY) स्टैंडर्ड मॉडल (SM) के भीतर पदानुक्रम समस्या (hierarchy problem) का समाधान प्रस्तुत करती है, लेकिन पूर्ण पैरामीटर स्पेस बैरियन ( $B$ ) और लेप्टॉन ( $L$ ) संख्या के उल्लंघन की अनुमति देता है। जबकि प्रोटॉन के तीव्र क्षय को रोकने के लिए अक्सर $R$ -पैरिटी संरक्षण लागू किया जाता है, व्यवहारिक रूप से सक्षम $R$ -पैरिटी उल्लंघनकारी (RPV) सिद्धांत मौजूद हैं। विशेष रूप से, $B-L$ मिनिमल सुपरसिमेट्रिक स्टैंडर्ड मॉडल एक $U(1)_{B-L}$ गेज सिमेट्री और राइट-हैंडेड स्टेराइल न्यूट्रिनो पेश करता है। इस ढांचे में, $U(1)_{B-L}$ का स्वतःस्फूर्त टूटन (spontaneous breaking) लेप्टॉन संख्या का उल्लंघन करता है, जिससे सुपरपार्टनर्स सीधे SM कणों में क्षय (decay) हो सकते हैं।

यह शोध एक विशिष्ट परिदृश्य को लक्षित करता है जिसमें विनो-लाइक (wino-like) लाइटैस्ट सुपरसिमेट्रिक पार्टिकल (LSP) और नेक्स्ट-टू-लाइटेस्ट सुपरसिमेट्रिक पार्टिकल (NLSP) शामिल है। इस मॉडल में, चार्egino ( $\tilde{\chi}^\pm_1$ ) और neutralino ( $\tilde{\chi}^0_1$ ) लगभग द्रव्यमान-तुल्य (mass-degenerate) होते हैं (विभाजन < 200 MeV), जो मानक $R$ -पैरिटी संरक्षित क्षय को दबा देता है। इसके बजाय, ये कण मुख्य रूप से एक हिग्स बोसॉन ( $h$ ) और एक लेप्टॉन ( $\ell$ ) या न्यूट्रिनो ( $\nu$ ) में प्रॉम्प्ट RPV क्षय करते हैं: $\tilde{\chi}^\pm_1 \to h\ell^\pm$ और $\tilde{\chi}^0_1 \to h\nu$ । पिछले ATLAS खोजों ने $Z$ बोसॉन या टॉप स्क्वार्क में RPV क्षय को लक्षित किया है; यह विश्लेषण हिग्स बोसॉन क्षय चैनल ( $h \to b\bar{b}$ ) पर ध्यान केंद्रित करके पूरक संवेदनशीलता प्रदान करता है, जो इन विशिष्ट इलेक्ट्रोवीकइनो उत्पादन मोड के लिए पहले कम खोजी गई फेज स्पेस क्षेत्र है।

कार्यप्रणाली (Methodology)
यह विश्लेषण लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (LHC) में 2015 और 2023 के बीच एकत्र किए गए प्रोटॉन-प्रोटॉन टकराव डेटा का उपयोग करता है। डेटासेट में 196 fb $^{-1}$ का एकीकृत ल्यूमिनोसिटी (integrated luminosity) शामिल है, जो 140 fb $^{-1}$ ( $\sqrt{s}=13$ TeV, Run 2) और 56 fb $^{-1}$ ( $\sqrt{s}=13.6$ TeV, Run 3) में विभाजित है।

सिग्नल टोपोलॉजी: यह विश्लेषण इलेक्ट्रोवीक पेयर प्रोडक्शन ( $\tilde{\chi}^\pm_1 \tilde{\chi}^\mp_1$ $\tilde{χ}_{1}^{\pm} \tilde{χ}_{1}^{\mp}$ ) और एसोसिएटेड प्रोडक्शन ( $\tilde{\chi}^\pm_1 \tilde{\chi}^0_1$ $\tilde{χ}_{1}^{\pm} \tilde{χ}_{1}^{0}$ ) को लक्षित करता है।
- $\tilde{\chi}^\pm_1 \tilde{\chi}^\mp_1$ चैनल के परिणामस्वरूप दो विपरीत-संकेत वाले लेप्टॉन और दो हिग्स बोसॉन (चार $b$ -जेट्स) के साथ अंतिम अवस्था प्राप्त होती है।
- $\tilde{\chi}^\pm_1 \tilde{\chi}^0_1$ चैनल के परिणामस्वरूप एक लेप्टॉन, दो हिग्स बोसॉन (चार $b$ -जेट्स), और न्यूट्रिनो से होने वाले मिसिंग ट्रांसवर्स मोमेंटम ( $E_T^{\text{miss}}$ ) के साथ अंतिम अवस्था प्राप्त होती है।
इवेंट सिलेक्शन: घटनाओं के लिए कम से कम चार जेट की आवश्यकता होती है, जिनमें से कम से कम तीन को GN2 एल्गोरिदम का उपयोग करके $b$ $b$ -टैग्ड जेट के रूप में पहचाना जाना चाहिए। लेप्टॉन चयन के लिए उच्च- $p_T$ $p_{T}$ इलेक्ट्रॉन या म्यूऑन ( $p_T > 40$ $p_{T} > 40$ GeV) की आवश्यकता होती है।
- दो-लेप्टॉन क्षेत्र (SR2 $\ell$ ): इसके लिए दो विपरीत-संकेत वाले लेप्टॉन की आवश्यकता होती है। विश्लेषण दो हिग्स बोसॉन उम्मीदवारों और दो चार्egino उम्मीदवारों को पुनर्गठित (reconstruct) करता है। बैकग्राउंड को दबाने के लिए $A_C$ वेरिएबल (दो पुनर्गठित चार्egino उम्मीदवारों के बीच द्रव्यमान विषमता) का उपयोग किया जाता है।
- एक-लेप्टॉन क्षेत्र (SR1 $\ell$ ): इसके लिए एक लेप्टॉन और महत्वपूर्ण $E_T^{\text{miss}}$ की आवश्यकता होती है। न्यूट्रालिनो द्रव्यमान को हिग्स उम्मीदवार और $E_T^{\text{miss}}$ का उपयोग करके ट्रांसवर्स मास ( $m_{N,T}$ ) के माध्यम से पुनर्गठित किया जाता है।
बैकग्राउंड अनुमान: प्रमुख बैकग्राउंड टॉप-क्वार्क पेयर प्रोडक्शन ( $t\bar{t}$ ) है, विशेष रूप से हेवी-फ्लेवर जेट्स के साथ $t\bar{t}$ ( $t\bar{t}+b$ )। बैकग्राउंड नॉर्मलाइजेशन कंट्रोल क्षेत्रों (CRs) का उपयोग करके डेटा से प्राप्त किया जाता है जो विशिष्ट सिग्नल चयन मानदंडों (जैसे हिग्स मास विंडो या किनेमैटिक वेरिएबल्स) को इनवर्ट करते हैं। वैलिडेशन क्षेत्रों (VRs) बैकग्राउंड मॉडल के एक्सट्रपलेशन की पुष्टि करते हैं।
सांख्यिकीय विश्लेषण: pyhf फ्रेमवर्क का उपयोग करके एक प्रोफाइल-लाइक्लिहुड फिट किया जाता है। सिस्टमैटिक अनसर्टेंटी (प्रायोगिक, सैद्धांतिक, और MC सांख्यिकीय) को नूसेंस पैरामीटर्स (nuisance parameters) के रूप में माना जाता है। $CL_s$ प्रिस्क्रिप्शन का उपयोग करके 95% कॉन्फिडेंस लेवल (CL) पर सीमाएं (limits) निर्धारित की जाती हैं।

मुख्य योगदान

हिग्स-चैनल RPV पर प्रथम प्रतिबंध: यह कार्य उन चार्eginो और न्यूट्रालिनो उत्पादन पर पहले खोज प्रतिबंध प्रस्तुत करता है जहाँ प्रमुख क्षय मोड $B-L$ MSSM ढांचे के भीतर एक हिग्स बोसॉन और एक लेप्टॉन/न्यूट्रिनो में होता है।
उन्नत $b$ -टैगिंग: यह विश्लेषण GN2 ट्रांसफार्मर-आधारित $b$ -टैगिंग एल्गोरिदम का लाभ उठाता है, जो पिछले एल्गोरिदम की तुलना में बेहतर बैकग्राउंड रिजेक्शन प्रदान करता है, जो $h \to b\bar{b}$ सिग्नल को अलग करने के लिए महत्वपूर्ण है।
संयुक्त Run 2 और Run 3 डेटा: यह विश्लेषण बढ़ी हुई ल्यूमिनोसिटी और ऊर्जा का उपयोग करके उच्च द्रव्यमान रेंज की जांच करने के लिए LHC Run 2 (13 TeV) और Run 3 (13.6 TeV) दोनों के डेटा को एकीकृत करता है।
फ्लेवर-विशिष्ट सीमाएं: सभी लेप्टॉन फ्लेवर्स के लिए समान ब्रांचिंग फ्रैक्शन की मानक धारणा के परे, यह विश्लेषण शुद्ध-इलेक्ट्रॉन, शुद्ध-म्यूऑन और शुद्ध-टाऊ परिदृश्यों के लिए विशिष्ट सीमाएं निकालता है, जो लेप्टॉन रिकंस्ट्रक्शन एफिशिएंसी का संवेदनशीलता पर प्रभाव प्रदर्शित करता है।

परिणाम
देखा गया डेटा सभी सिग्नल क्षेत्रों में स्टैंडर्ड मॉडल भविष्यवाणियों के अनुरूप है। घटनाओं का कोई महत्वपूर्ण अतिरिक्त (excess) नहीं देखा गया।

मॉडल-स्वतंत्र सीमाएं: चार "डिस्कवरी क्षेत्रों" (SR2 $\ell$ , SR2 $\ell$ 700, SR1 $\ell$ , SR1 $\ell$ 600) में बीयॉन्ड-द-स्टैंडर्ड-मॉडल प्रक्रियाओं के लिए दृश्य क्रॉस-सेक्शन (visible cross-section) पर ऊपरी सीमाएं निर्धारित की गईं।
मॉडल-निर्भर बहिष्करण (Exclusions):
- उस परिदृश्य के लिए जहाँ चार्eginो और न्यूट्रालिनो 100% ब्रांचिंग फ्रैक्शन के साथ $h\ell$ और $h\nu$ में क्षय होते हैं, और इलेक्ट्रॉन, म्यूऑन और टाऊ फ्लेवर्स के लिए समान ब्रांचिंग फ्रैक्शन्स को मानते हुए, 150 GeV और 1100 GeV के बीच के द्रव्यमान वाले चार्eginो और न्यूट्रालिनो को 95% CL पर बहिष्कृत किया गया है।
- शुद्ध-इलेक्ट्रॉन हाइपोथीसिस के लिए, 150 GeV और 1225 GeV के बीच के द्रव्यमान को बहिष्कृत किया गया है।
- शुद्ध-म्यूऑन हाइपोथीसिस के लिए, 150 GeV और 1150 GeV के बीच के द्रव्यमान को बहिष्कृत किया गया है।
- शुद्ध-टाऊ हाइपोथीसिस के लिए, 450 GeV और 750 GeV के बीच के द्रव्यमान को बहिष्कृत किया गया है। टाऊ चैनल के लिए कम संवेदनशीलता का कारण है हार्मोनिकली डिके होने वाले टाऊ के पुनर्निर्माण में कठिनाई और लेप्टोनिक टाऊ क्षय में ऊर्जा का नुकसान, जिसके परिणामस्वरूप अक्सर डौटर (daughter) लेप्टॉन $p_T$ थ्रेशोल्ड से नीचे गिर जाते हैं।

महत्व
यह पेपर दावा करता है कि ये परिणाम $B-L$ $R$ -पैरिटी उल्लंघन के संदर्भ में हिग्स बोसॉन के माध्यम से क्षय होने वाले चार्eginो और न्यूट्रालिनो के सरलीकृत सिग्नल मॉडल पर पहले प्रतिबंध प्रदान करते हैं। $Z$ -बोसॉन क्षय (जिसने ~975 GeV तक के द्रव्यमान को बहिष्कृत किया था) के विरुद्ध 1100-1225 GeV (फ्लेवर हाइपोथीसिस के आधार पर) तक के द्रव्यमान का बहिष्करण पिछले खोजों की पहुंच को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाता है। यह विश्लेषण प्रदर्शित करता है कि हिग्स डिके चैनल, चुनौतीपूर्ण $b$ -जेट मल्टीसिटी और बैकग्राउंड वातावरण के बावजूद, $B-L$ RPV परिदृश्यों में इलेक्ट्रोवीकइनो उत्पादन के लिए एक शक्तिशाली और पूरक प्रोब है। इन परिणामों की व्याख्या मॉडल-स्वतंत्र क्रॉस-सेक्शन और विशिष्ट मिनिमल सुपरसिमेट्रिक स्टैंडर्ड मॉडल पैरामीटर्स पर सीमाओं के रूप में की जाती है, जो SUSY पैरामीटर स्पेस को सीमित करने के व्यापक प्रयास में योगदान देती है।

रहस्य: "R-पैरिटी" का नियम

खोज: "हिग्स सिग्नेचर" की तलाश

डेटा: टकरावों का एक विशाल पुस्तकालय

परिणाम: भूत छिपे हुए रहे

निष्कर्ष

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