⚛️ high-energy experiments

Search for long-lived particles decaying into muons in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13.6 TeV using data scouting

एक हाई-रेट डेटा स्काउटिंग स्ट्रीम के माध्यम से एकत्र किए गए 13.6 TeV प्रोटॉन-प्रोटॉन टकराव के 62.4 fb $^{-1}$ डेटा का उपयोग करते हुए, CMS प्रयोग ने म्यूऑन में क्षय होने वाले दीर्घकालिक कणों (long-lived particles) के लिए एक खोज की, जिसमें स्टैंडर्ड मॉडल के ऊपर कोई महत्वपूर्ण अधिकता नहीं मिली और विभिन्न स्टैंडर्ड-मॉडल-से-परे (beyond-the-Standard-Model) परिदृश्यों के लिए ब्रांचिंग अंशों (branching fractions) पर बेहतर ऊपरी सीमाएं निर्धारित की गईं।

मूल लेखक: CMS Collaboration

प्रकाशित 2026-06-25

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CC BY 4.0

मूल लेखक: CMS 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 हैड्रोन कोलाइडर (LHC) एक विशाल, अत्यंत तीव्र कणों को टकराने वाली मशीन है। यह प्रोटॉन की दो किरणों को एक-दूसरे की ओर दागता है, जिससे मलबे का एक अराजक विस्फोट होता है। आमतौर पर, वैज्ञानिक "बिग बैंग" क्षणों की तलाश करते हैं—विशाल, भारी कण जो तुरंत प्रकट होते हैं और गायब हो जाते हैं।

लेकिन यह शोध पत्र मशीन के भीतर "भूतों" (ghosts) की तलाश करने के बारे में है।

रहस्य: अदृश्य यात्री

वैज्ञानिक लॉन्ग-लिव्ड पार्टिकल्स (LLPs) यानी दीर्घजीवी कणों की खोज कर रहे हैं। इन्हें ब्रह्मांडीय भूत समझें। स्टैंडर्ड मॉडल (भौतिकी की हमारी वर्तमान नियम पुस्तिका) में, कण आमतौर पर लगभग तुरंत टूट (decay) जाते हैं। लेकिन ये "भूत" अलग हैं। ये टकराव के दौरान उत्पन्न होते हैं, डिटेक्टर के माध्यम से एक उल्लेखनीय दूरी तय करते हैं, और फिर ऐसी चीज़ों में टूट जाते हैं जिन्हें हम देख सकते हैं: म्यूऑन (muons) की एक जोड़ी (जो इलेक्ट्रॉनों के भारी चचेरे भाई हैं)।

हमें इसकी परवाह क्यों है? क्योंकि ये भूत डार्क मैटर (Dark Matter) या किसी ऐसे "हिडन सेक्टर" (छिपे हुए क्षेत्र) के कण हो सकते हैं जिसे हम अभी तक नहीं समझते हैं। ये वे लुप्त कड़ियाँ हैं जो यह समझाने के लिए पहेली को सुलझा सकती हैं कि ब्रह्मांड में द्रव्यमान (mass) क्यों है, फिर भी हम उसे देख नहीं पाते।

जासूस का उपकरण: "स्काउटिंग" कैमरा

समस्या यह है: LHC में मानक कैमरे केवल सबसे बड़े, सबसे चमकीले विस्फोटों की तस्वीरें लेने के लिए सेट किए गए हैं। यदि कोई भूतिया कण कुछ सेंटीमीटर यात्रा करता है और फिर दो छोटे, धीमी गति वाले म्यूऑन में टूट जाता है, तो मानक कैमरे उसे अनदेखा कर देते हैं। वे सोचते हैं कि यह केवल बैकग्राउंड शोर है।

इन भूतों को पकड़ने के लिए, CMS टीम ने "डेटा स्काउटिंग" (Data Scouting) नामक एक विशेष तकनीक का उपयोग किया।

एक उपमा: एक स्टेडियम में सुरक्षा गार्ड की कल्पना करें। मानक गार्ड केवल उन लोगों को रोकता है जो बड़े बैग या हथियार ले जा रहे हों (उच्च-ऊर्जा वाले कण)। वे बाकी सभी को जाने देते हैं।
स्काउटिंग गार्ड: यह नया गार्ड अलग है। उन्हें यह निर्देश दिया गया है कि वे हर उस व्यक्ति को रोकें जो थोड़ा भी संदिग्ध लगे, भले ही वह कोई बहुत छोटी या धीमी गति वाली वस्तु लेकर चल रहा हो। ऐसा करने के लिए, वे हर व्यक्ति का पूर्ण 4K वीडियो नहीं लेते (जिससे सिस्टम जाम हो जाएगा); इसके बजाय, वे केवल महत्वपूर्ण विवरणों का एक त्वरित, कम-रिज़ॉल्यूशन वाला स्नैपशॉट लेते हैं।
परिणाम: इसने टीम को विशेष रूप से इन धीमे, विस्थापित कणों (displaced particles) की तलाश करने के लिए भारी मात्रा में डेटा (62.4 "स्नैपशॉट" इकाइयाँ) एकत्र करने की अनुमति दी, जिन्हें मानक कैमरे मिस कर देते।

खोज: "विस्थापित" (Displaced) की तलाश

टीम ने एक विशिष्ट संकेत (signature) की तलाश की:

दो म्यूऑन: कणों की एक जोड़ी जो एक साथ दिखाई देती है।
विस्थापित वर्टेक्स (Displaced Vertex): जहाँ टकराव हुआ था (प्राइमरी वर्टेक्स), ठीक वहीं से प्रकट होने के बजाय, ये म्यूऑन कुछ सेंटीमीटर से लेकर कुछ मीटर दूर प्रकट होते हैं।
"भूत" का पथ: यदि आप म्यूऑन के पथ को पीछे की ओर ट्रेस करते हैं, तो वे विस्फोट के केंद्र की ओर इशारा नहीं करते। वे उस स्थान की ओर इशारा करते हैं जहाँ एक भूतिया कण यात्रा करता है और फिर फूट जाता है।

उन्होंने हर संभव दूरी की जाँच की कि वह भूत कितनी दूर तक जा सकता है, डिटेक्टर की आंतरिक परतों के ठीक अंदर से लेकर बाहरी किनारों तक (70 सेमी तक)। उन्होंने उन मामलों की भी तलाश की जहाँ चार म्यूऑन दिखाई देते, जो तब होता जब दो भूत एक साथ उत्पन्न होते।

मॉडल: वे क्या खोज रहे थे

वैज्ञानिकों ने तीन मुख्य सिद्धांतों का परीक्षण किया कि ये भूत क्या हो सकते हैं:

डार्क फोटॉन (The Dark Photon): फोटॉन (प्रकाश कण) का एक छिपा हुआ संस्करण जो हमारी दुनिया के साथ मिश्रित होता है। यह एक गुप्त संदेशवाहक की तरह है जो म्यूऑन में बदल सकता है।
डार्क शावर (The Dark Shower): कल्पना कीजिए कि एक कण जो केवल दो टुकड़ों में नहीं टूटता, बल्कि छिपे हुए कणों के एक पूरे "शावर" (झड़ी) में बिखर जाता है, जो फिर म्यूऑन में टूट जाते हैं। यह एक पटाखे की तरह है जो छोटे पटाखों में फटता है, और फिर वे छोटे पटाखे फिर से फट जाते हैं।
बॉटम क्वार्क से स्केलर (The Scalar from a Bottom Quark): एक भारी कण (एक "बॉटम क्वार्क") जो एक नए, दीर्घजीवी स्केलर कण में टूट जाता है और फिर म्यूऑन में बदल जाता है।

निर्णय: कोई भूत नहीं मिला (अभी तक)

लाखों घटनाओं का विश्लेषण करने के बाद, टीम को इन दीर्घजीवी कणों का कोई प्रमाण नहीं मिला। डेटा ने "स्टैंडर्ड मॉडल" के अनुमान की सटीक रूप से पुष्टि की। डेटा में कोई अप्रत्याशित उछाल या "भूतिया" शिखर (peaks) नहीं थे।

इसका क्या अर्थ है?

संदियाओं को खारिज करना: भले ही उन्हें भूत नहीं मिले, लेकिन वे असफल नहीं हुए। उन्हें न पाकर, उन्होंने सिद्ध किया कि ये कण कुछ विशिष्ट गुणों के साथ अस्तित्व में नहीं हो सकते।
नई सीमाएँ: उन्होंने रेत पर एक नई, अधिक सख्त रेखा खींची है। यदि ये कण मौजूद हैं, तो वे पहले की तुलना में और भी अधिक मायावी (अधिक भारी, हल्के या अधिक दीर्घजीवी) होने चाहिए।
"डार्क" ज़ोन: उन्होंने सफलतापूर्वक भौतिकी के एक ऐसे क्षेत्र की खोज की जो पहले LHC के लिए अदृश्य था, विशेष रूप से उन कणों की तलाश की जो अधिक दूरी तय करते हैं और कम ऊर्जा रखते हैं।

सारांश

CMS टीम ने कण टकराव के शांत, धीमी गति वाले मलबे को करीब से देखने के लिए एक विशेष "स्काउटिंग" पद्धति का उपयोग किया। वे उन "भूतिया" कणों की तलाश कर रहे थे जो म्यूऑन में बदलने से पहले एक छोटी दूरी तय करते हैं। उन्हें कोई भूत नहीं मिला, लेकिन उन स्थानों पर उनकी अनुपस्थिति को सिद्ध करके जहाँ उन्होंने खोज की थी, उन्होंने डार्क मैटर और छिपे हुए ब्रह्मांड के रहस्यों की खोज को और अधिक सीमित कर दिया है। उन्होंने प्रभावी रूप से ब्रह्मांड को कह दिया है: "यदि आप वहाँ छिपे हैं, तो आप बहुत अच्छी तरह से छिपे हैं।"

तकनीकी सारांश: डेटा स्काउटिंग का उपयोग करके $\sqrt{s} = 13.6$ TeV पर प्रोटॉन-प्रोटॉन टकरावों में म्यूऑन में क्षय होने वाले दीर्घायु कणों (Long-Lived Particles) की खोज

समस्या और प्रेरणा
डार्क मैटर की उत्पत्ति भौतिक विज्ञान की एक प्राथमिक अनसुलझी समस्या बनी हुई है, जो एक छिपे हुए (डार्क) क्षेत्र की खोज को प्रेरित करती है जो मानक मॉडल (SM) के कणों के साथ दुर्बल रूप से अंतःक्रिया करता है। यह शोध पत्र कई बीएसएम (Beyond the Standard Model) ढांचों के भीतर दीर्घायु कणों (LLPs) की खोज को संबोधित करता है, विशेष रूप से उन परिदृश्यों को लक्षित करता है जहाँ हिग्स बोसान डार्क सेक्टर कणों में क्षय होता है या जहाँ $b$ -हैड्रॉन क्षय से दीर्घायु स्केलर उत्पन्न होते हैं। प्रमुख मॉडलों में हिडन एबेलियन हिग्स मॉडल (HAHM) शामिल है, जहाँ हिग्स जोड़े में दीर्घायु डार्क फोटॉन ( $Z_D$ ) में क्षय होता है; डार्क-शावर मॉडल जिनमें कन्फाइनिंग डार्क गेज समूह डार्क पायोन और फोटॉन के "डार्क शावर" उत्पन्न करते हैं; और एक सिंगलेट स्केलर ( $\phi$ ) वाले न्यूनतम विस्तार जो हिग्स के साथ मिश्रित (mixing) होता है।

इन हस्ताक्षरों (signatures) का पता लगाने में एक महत्वपूर्ण चुनौती, विशेष रूप से मैक्रोस्कोपिक क्षय लंबाई वाले निम्न-द्रव्यमान अनुनादों ( $m < 10$ GeV) के लिए, मानक ट्रिगर स्ट्रीम की सीमा है। मानक ट्रिगर आमतौर पर उच्च ट्रांसवर्स मोमेंटम ( $p_T$ ) कणों की आवश्यकता करते हैं, जिससे निम्न-द्रव्यमान, विस्थापित म्यूऑन जोड़े दुर्गम हो जाते हैं। CMS डेटा स्काउटिंग (एक उच्च-दर ट्रिगर स्ट्रीम जो कम सूचना वाले इवेंट्स को सुरक्षित रखती है) का उपयोग करने वाले पिछले विश्लेषण पिक्सेल हिट मल्टीप्लिसिटी आवश्यकताओं के कारण 11 सेमी से कम क्षय विस्थापन ( $l_{xy}$ ) तक सीमित थे।

कार्यप्रणाली
यह विश्लेषण CMS प्रयोग द्वारा 2022 और 2023 के दौरान $\sqrt{s} = 13.6$ TeV पर एकत्र किए गए प्रोटॉन-प्रोटॉन टकराव डेटा का उपयोग करता है, जो 62.4 fb $^{-1}$ के एकीकृत ल्यूमिनोसिटी (integrated luminosity) के अनुरूप है।

ट्रिगर रणनीति: यह विश्लेषण एक समर्पित "डेटा स्काउटिंग" डिम्यूऑन ट्रिगर स्ट्रीम का उपयोग करता है। यह स्ट्रीम हाई-लेवल ट्रिगर (HLT) पर केवल संक्षिप्त जानकारी (फोर-मोमेंटा, हिट काउंट्स, और ट्रैक विवरण) सुरक्षित रखती है, जिससे कम ट्रांसवर्स मोमेंटम थ्रेशोल्ड ( $p_T \gtrsim 3-4$ GeV) वाले इवेंट्स के उच्च-दर चयन की अनुमति मिलती है। महत्वपूर्ण रूप से, 2022 में स्काउटिंग ट्रिगर्स में किए गए अपडेट ने पिक्सेल हिट मल्टीप्लिसिटी की आवश्यकता को हटा दिया, जिससे 70 सेमी ( $l_{xy} > 11$ सेमी) तक के क्षय विस्थापन वाले म्यूऑन जोड़ों के पुनर्निर्माण को सक्षम बनाया गया—एक ऐसा चरण स्थान (phase space) जो पिछले CMS स्काउटिंग विश्लेषणों के लिए दुर्गम था।
इवेंट चयन: इवेंट्स का चयन कम से कम एक विपरीत आवेशित (OS) म्यूऑन जोड़े की उपस्थिति के आधार पर किया जाता है जो एक माध्यमिक शीर्ष (secondary vertex - SV) से जुड़े होते हैं। चयन मानदंड निम्नलिखित हैं:
- SV विस्थापन $l_{xy} < 70$ सेमी।
- वर्टेक्स फिट गुणवत्ता ( $\chi^2/\text{dof} < 3$ ) और समन्वय अनिश्चितताएँ।
- ट्रैकर मॉड्यूल के भीतर SV को बाहर करके पदार्थ की अंतःक्रियाओं (material interactions) का दमन।
- रैंडम कॉम्बिनेटोरियल बैकग्राउंड को अस्वीकार करने के लिए टोपोलॉजिकल आवश्यकताएं जो सुनिश्चित करती हैं कि डिम्यूऑन मोमेंटम वेक्टर SV वेक्टर के समानांतर (pointing) है।
- आइसोलेशन मानदंड और इम्पैक्ट पैरामीटर सिग्निफिकेन्स ( $|d_{xy}|/\sigma_{d_{xy}} > 2$ ) ताकि प्रॉम्प्ट बैकग्राउंड से विस्थापित म्यूऑन को अलग किया जा सके।
- "अतिरिक्त हिट्स" ( $N_{\mu\mu}^{\text{excess}}$ ) के लिए विशिष्ट हैंडलिंग ताकि उन प्रॉम्प्ट म्यूऑन्स को खारिज किया जा सके जो गलती से विस्थापित वर्टेक्स बनाते हैं।
वर्गीकरण (Categorization): चयनित इवेंट्स को वर्गीकृत किया गया है:
1. डिम्यूऑन इवेंट्स: एकल OS म्यूऑन जोड़े, जिन्हें आगे $l_{xy}$ (0 से 70 सेमी के 8 बिन), पॉइंटिंग बनाम नॉन-पॉइंटिंग टोपोलॉजी, आइसोलेशन स्थिति, और $p_T^{\mu\mu}$ (< 25 GeV बनाम > 25 GeV) द्वारा विभाजित किया गया है।
2. फोर-म्यूऑन इवेंट्स: दो OS म्यूऑन जोड़ों वाले इवेंट्स, जिन्हें "मल्टी-वर्टेक्स" (स्थानिक रूप से सुस्पष्ट SVs) या "ओवरलैपिंग वर्टेक्स" (अनिश्चितताओं के भीतर ओवरलैप होने वाले SVs) में वर्गीकृत किया गया है।
बैकग्राउंड मॉडलिंग: SM बैकग्राउंड का अनुमान सीधे डेटा से स्लाइडिंग विंडो में स्मूथ एनालिटिकल फंक्शनों (बर्नस्टीन पॉलिनोमियल, पावर लॉ, एक्सपोनेंशियल) का उपयोग करके मल्टी-म्यूऑन इनवेरिएंट मास स्पेक्ट्रम पर फिट करके लगाया जाता है। ज्ञात SM रेजोनेंस (जैसे $J/\psi, \Upsilon$ ) को मास्क किया गया है।
सिग्नल व्याख्या: सिग्नल मोंटे कार्लो (MC) सैंपल HAHM ( $H \to Z_D Z_D$ ), डार्क-शावर परिदृश्य (परिदृश्य A और B1), और $b$ -हैड्रॉन क्षय ( $h_b \to \phi X$ ) के लिए उत्पन्न किए गए हैं। ब्रांचिंग फ्रैक्शन पर ऊपरी सीमाएं CL $_s$ मानदंड के साथ प्रोफाइल लाइकलीहुड रेश्यो का उपयोग करके निर्धारित की जाती हैं।

प्रमुख योगदान

विस्तारित चरण स्थान (Extended Phase Space): यह विश्लेषण विस्थापित म्यूऑन खोजों के लिए सुलभ चरण स्थान को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाता है, 70 सेमी तक के क्षय लंबाई वाले दीर्घायु कणों की जांच करने के लिए अपडेटेड स्काउटिंग ट्रिगर्स का उपयोग करता है, जो पिछले 11 सेमी की सीमा को पार करता है।
निम्न-द्रव्यमान संवेदनशीलता: निम्न- $p_T$ थ्रेशोल्ड का उपयोग करके, यह खोज 10 GeV से कम द्रव्यमान वाले संकीर्ण अनुनादों को लक्षित करती है, जो अक्सर उच्च- $p_T$ ट्रिगर्स द्वारा बहिष्कृत कर दिए जाते हैं।
व्यापक वर्गीकरण: फोर-म्यूऑन टोपोलॉजी (दोनों सुस्पष्ट और ओवरलैपिंग वर्टेक्स) का समावेश और विस्थापन एवं आइसोलेशन द्वारा डिम्यूऑन इवेंट्स का विस्तृत बिनिंग, विभिन्न प्रकार के BSM उत्पादन और क्षय तंत्रों के प्रति संवेदनशीलता प्रदान करता है।
डेटा-ड्रिवन बैकग्राउंड: डेटा-ड्रिवन बैकग्राउंड मॉडलिंग पर निर्भरता निम्न-द्रव्यमान, उच्च-मल्टीसिटीिटी शासन में सिमुलेशन अनिश्चितताओं के विरुद्ध मजबूती सुनिश्चित करती है।

परिणाम
सभी विश्लेषित श्रेणियों में स्टैंडर्ड मॉडल के अनुमान से इवेंट्स के किसी भी महत्वपूर्ण अतिरिक्त (excess) का अवलोकन नहीं किया गया। फलस्वरूप, विचारित BSM मॉडलों के लिए 95% विश्वास स्तर (CL) की ऊपरी सीमाएं निर्धारित की गईं:

हिडन एबेलियन हिग्स मॉडल: डार्क फोटॉन द्रव्यमान ( $m_{Z_D}$ ) के लिए $\mathcal{B}(H \to Z_D Z_D)$ की सीमाएं 0.5 से 50 GeV और प्रॉपर डिके लेंथ ( $c\tau_{Z_D}^0$ ) के 0.1, 1, 10, और 100 सेमी के लिए निर्धारित की गईं। परिणाम पिछले प्रतिबंधों में सुधार करते हैं, विशेष रूप से $m_{Z_D} < 5$ GeV और $c\tau_{Z_D}^0 > 1$ सेमी के लिए।
डार्क-शावर मॉडल: Scenarios A और B1 के लिए $\mathcal{B}(H \to \Psi\Psi)$ पर ऊपरी सीमाएं स्थापित की गईं। यह विश्लेषण डार्क फोटॉन ( $A'$ ) और डार्क पायोन ( $\tilde{\pi}_3$ ) के प्रॉपर डिके लेंथ के बहिष्कृत रेंज को 10 सेमी से 100 सेमी तक विस्तारित करता है, जो पिछले सीमाओं से बेहतर है।
$b$ -हैड्रॉन से दीर्घायु स्केलर: स्केलर द्रव्यमान $m_\phi$ (4 GeV तक) और जीवनकाल (0.1, 1, और 10 सेमी) के लिए $\mathcal{B}(h_b \to \phi X)\mathcal{B}(\phi \to \mu\mu)$ के उत्पाद पर सीमाएं निर्धारित की गईं। ये प्रतिबंध पिछले परिणामों के तुलनीय पाए गए हैं, जिसमें बेहतर ट्रिगर दक्षता पिछले रन के सापेक्ष छोटे डेटासेट की भरपाई करती है।

महत्व
यह शोध दावा करता है कि प्राप्त प्रतिबंध हिडन एबेलियन हिग्स मॉडल (विशेष रूप से $m_{Z_D} < 5$ GeV और $c\tau_{Z_D}^0 > 1$ सेमी के लिए) और डार्क-शावर मॉडल (डेके लेंथ $> 10$ सेमी के लिए) के पैरामीटर स्पेस के एक विस्तृत रेंज के लिए अब तक के सबसे कड़े प्रतिबंध हैं। यह कार्य डेटा स्काउटिंग तकनीक की प्रभावकारिता को प्रदर्शित करता है, जो डिटेक्टर एक्सेप्टेंस के "ब्लाइंड स्पॉट्स" (जैसे निम्न-द्रव्यमान, दीर्घायु कण जो मानक ट्रिगर स्ट्रीम के लिए दुर्गम हैं) को खोजने में सक्षम है। बड़े क्षय लंबाई और निम्न द्रव्यमान तक अपनी पहुंच का विस्तार करके, यह विश्लेषण इन विशिष्ट BSM परिकल्पनाओं के लिए व्यवहार्य पैरामीटर स्पेस को महत्वपूर्ण रूप से कम करता है।