Search for new scalars via $X \rightarrow SH \rightarrow b\bar{b}b\bar{b}$ in proton-proton collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड एक विशाल, कॉस्मिक लेगो (LEGO) सेट है। दशकों से, वैज्ञानिक इस सेट के सबसे महत्वपूर्ण ईंट (brick) के सटीक आकार को समझने की कोशिश कर रहे हैं: हिग्स बोसान (Higgs boson)। 2012 में खोजा गया यह कण उस "गोंद" की तरह है जो अन्य कणों को द्रव्यमान (mass) देता है, जिससे वास्तविकता का ताना-बाना एक साथ जुड़ा रहता है। लेकिन यहाँ एक पेंच है: इस लेगो सेट के मानक निर्देश मैनुअल, जिसे 'स्टैंडर्ड मॉडल' कहा जाता है, के कुछ पन्ने गायब हैं। यह डार्क मैटर (वह अदृश्य चीज़ जो आकाशगंगाओं को थामे रखती है) या यह क्यों कि पदार्थ (matter) से अधिक प्रतिपदार्थ (antimatter) क्यों है, जैसी चीजों की व्याख्या नहीं कर सकता। इन गायब पन्नों के कारण, भौतिकविदों को संदेह है कि वहाँ कुछ छिपी हुई, अतिरिक्त ईंटें हैं जिन्हें हमने अभी तक नहीं खोजा है—नए, भारी कण जो शायद हमारी नज़रों से ओझल होकर छिपे हुए हैं।

यह शोध पत्र लार्ज हैड्रोन कोलाइडर (LHC) के वैज्ञानिकों की एक विशाल टीम की रिपोर्ट है, जो दुनिया का सबसे शक्तिशाली कण क्रशर (particle smasher) है। वे "छिपी हुई ईंट को खोजने" के एक उच्च-दांव वाले खेल में लगे हुए हैं। विशेष रूप से, वे एक भारी, नए कण (मान लीजिए, "बिग बॉस") की तलाश कर रहे हैं जो एक ज्ञात हिग्स बोसान और एक नए, हल्के, रहस्यमय कण ( "साइडकिक") में टूट सकता है। यदि यह "बिग बॉस" मौजूद है, तो यह नई भौतिकी (new physics) के लिए एक पुख्ता सबूत होगा, जो यह सिद्ध करेगा कि ब्रह्मांड हमारे वर्तमान पाठ्यपुस्तकों की तुलना में कहीं अधिक जटिल है। टीम एक बहुत ही विशिष्ट, जटिल संकेत (signature) की तलाश कर रही है: एक टकराव जो चार बॉटम-क्वार्क्स (बॉटम-क्वारक्स छोटे कण हैं जो इलेक्ट्रॉन के भारी, अल्पकालिक चचेरे भाई की तरह होते हैं) उत्पन्न करता है, जो बैकग्राउंड शोर (background noise) के समुद्र में पहचानना बहुत कठिन है।

महान कण खोज: "बिग बॉस" और "साइडकिक" की तलाश

ATLAS सहयोग (ATLAS Collaboration), जो CERN में ATLAS डिटेक्टर के साथ काम करने वाली वैज्ञानिकों की एक विशाल टीम है, ने हाल ही में इन मायावी कणों की खोज प्रकाशित की है। उन्होंने प्रोटॉन-प्रोटॉन टकरावों का एक विशाल डेटासेट लिया—जो मूल रूप से लगभग प्रकाश की गति से टकराते हुए सूक्ष्म कणों को आपस में टकराने की प्रक्रिया है—जिसे 2016 और 2018 के बीच एकत्र किया गया था। यह लगभग 126 से 136 इनवर्स फेम्टोबार्न (एक इकाई जो यह मापती है कि उन्होंने कितने टकराव देखे) के आश्चर्यजनक मात्रा में डेटा के बराबर है। वे एक विशिष्ट घटना की तलाश कर रहे थे: एक भारी स्केलर कण, जिसे $X$ नाम दिया गया है, जो एक स्टैंडर्ड मॉडल हिग्स बोसन ($H$) और एक नए, हल्के स्केलर कण ($S$) में विभाजित होता है। ये दोनों फिर तुरंत बॉटम-एंटीबॉटम क्वार्क्स के जोड़ों में टूट जाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप चार बॉटम क्वार्क्स ($b\bar{b}b\bar{b}$) की अंतिम अवस्था प्राप्त होती है।

इस प्रयोग को एक विशाल, अराजक आइसक्रीम की दुकान में एक विशिष्ट, दुर्लभ फ्लेवर खोजने की कोशिश के रूप में सोचें। वह दुकान LHC है, और "फ्लेवर" चार बॉटम क्वार्क्स हैं। समस्या यह है कि दुकान अविश्वसनीय रूप से शोर भरी है; अधिकांश समय, आपको केवल वैनिला या चॉकलेट के स्कूप मिलते हैं (सामान्य बैकग्राउंड इवेंट जैसे टॉप क्वार्क्स या कणों के रैंडम जेट्स)। उस दुर्लभ फ्लेवर को खोजने के लिए, टीम को एक बहुत ही परिष्कृत फिल्टर बनाना पड़ा।

उन्होंने अपनी खोज को दो अलग-अलग रणनीतियों में विभाजित किया, इस आधार पर कि "बिग बॉस" ($X$) और "साइडकिक" ($S$) कितने भारी हो सकते हैं।

1. रिज़ॉल्व्ड चैनल (Resolved Channel): यदि कण बहुत भारी नहीं हैं, तो वे धीरे-धीरे अलग होते हैं। टीम कणों के चार अलग-अलग, स्पष्ट जेट्स (जैसे आइसक्रीम के चार अलग-अलग स्कूप) की तलाश करती है।
2. मिक्सड चैनल (Mixed Channel): यदि "बिग बॉस" अत्यंत भारी है, तो वह इतनी ऊर्जा के साथ निकलता है कि उससे बना हिग्स बोसान "बूस्टेड" (बहुत तेज़ गति से चलने वाला) हो जाता है। इस स्थिति में, हिग्स बोसान के क्षय उत्पाद (decay products) इतने करीब सिमट जाते हैं कि वे एक एकल, विशाल जेट की तरह दिखते हैं (जैसे एक विशाल, संकुचित स्कूप)। "साइडकिक" अभी भी अलग रहता है।

डेटा की विशाल मात्रा और कठिन बैकग्राउंड शोर को संभालने के लिए, टीम ने केवल मानक गणित का उपयोग नहीं किया। उन्होंने कुछ अत्याधुनिक आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस (AI) तकनीकों का उपयोग किया। उन्होंने गौसियन प्रोसेस (एक फैंसी सांख्यिकीय उपकरण जो आकृतियों की भविष्यवाणी करने में मदद करता है) और नॉर्मलाइजिंग फ्लोज़ (एक प्रकार का AI जो सरल डेटा को जटिल पैटर्न में बदलने के लिए सीखता है) का उपयोग किया। कल्पना कीजिए कि आप विभिन्न कोणों से किसी छिपी हुई वस्तु की छाया देखकर उसके आकार का अनुमान लगाने की कोशिश कर रहे हैं; इन AI उपकरणों ने उन्हें बैकग्राउंड शोर के "साये" को इतनी पूर्णता से मॉडल करने में मदद की कि वे उस सूक्ष्म विचलन को भी देख सके जहाँ एक नया कण छिपा हो सकता है।

उन्होंने संभावनाओं की एक विस्तृत श्रृंखला को स्कैन किया। उन्होंने 300 GeV से लेकर 6 TeV (जो कि एक प्रोटॉन से 6,000 गुना भारी है!) तक के द्रव्यमान सीमा में "बिग बॉस" ($X$) की तलाश की, और 70 GeV से 5 TeV तक "साइडकिक" ($S$) की। उन्होंने 80 से अधिक अलग-अलग द्रव्यमान संयोजनों की जाँच की, प्रभावी रूप से इन काल्पनिक कणों के हर संभावित वजन का परीक्षण किया।

निर्णय: डेटा में सन्नाटा

संख्याओं की गणना करने और अपने AI मॉडल चलाने के बाद, परिणाम स्पष्ट था: कोई नया कण नहीं मिला।

डेटा बिल्कुल वैसा ही था जैसा स्टैंडर्ड मॉडल भविष्यवाणी करता है। ग्राफ में कोई "बम्प" (उभार) नहीं था, कोई अप्रत्याशित स्पाइक नहीं था जो "बिग बॉस" के आगमन का संकेत दे सके। टीम ने सख्त ऊपरी सीमाएँ निर्धारित कीं कि ये कण कितनी बार अस्तित्व में हो सकते हैं। यदि वे मौजूद हैं, तो उनकी उत्पादन दर इतनी दुर्लभ है कि वह 0.7 फेम्टोबार्न से 2.6 पिकोबार्न (द्रव्यमान के आधार पर) से कम होनी चाहिए। इसे समझने के लिए, यदि आप कल्पना करें कि LHC ट्रिलियनों टकरावों को पैदा करने वाला एक कारखाना है, तो ये कण इतने दुर्लभ होंगे कि एक भी देखने के लिए आपको अविश्वसनीय रूप से लंबा इंतजार करना पड़ेगा।

टीम ने 300 GeV के "बिग बॉस" द्रव्यमान और 170 GeV के "साइडकिक" द्रव्यमान पर एक छोटा सा, अकेला सा संकेत (blip) देखा, लेकिन यह खोज के लिए पर्याप्त महत्वपूर्ण नहीं था। यह केवल एक सांख्यिकीय उतार-चढ़ाव था, जैसे अंधेरे में कोई आवाज़ सुनाई देना जो अंततः हवा की आवाज़ निकली, न कि किसी भूत की। इसका महत्व केवल 1.8 मानक विचलन (standard deviations) था, जिसे भौतिक विज्ञान की दुनिया में अधिकतम एक "शायद" माना जाता है, लेकिन आमतौर पर यह केवल शोर होता है।

दिलचस्प बात यह है कि टीम ने उन विशिष्ट द्रव्यमान बिंदुओं की भी जाँच की जहाँ एक अन्य प्रयोग, CMS ने पहले एक हल्का संकेत (एक "भूत" जिसे उन्होंने देखा था) रिपोर्ट किया था। ATLAS टीम ने अपने नए, अधिक संवेदनशील उपकरणों के साथ उन्हीं स्थानों को देखा और कुछ भी नहीं पाया। उनकी सीमाएँ CMS के पिछले परिणामों की तुलना में वास्तव में अधिक मजबूत थीं, जिससे प्रभावी रूप से यह सिद्ध हुआ कि CMS का "भूत" एक वास्तविक कण नहीं था।

इसका क्या अर्थ है

यह शोध पत्र एक "शून्य परिणाम" (null result) है, जो विज्ञान में अक्सर खोज जितनी ही महत्वपूर्ण होता है। इन कणों को न पाकर, ATLAS टीम ने रेत पर एक बहुत ही स्पष्ट रेखा खींच दी है। उन्होंने हमें बताया है कि यदि इस प्रकार के "बिग बॉस" और "साइडकिक" कण मौजूद हैं, तो वे ऐसी जगह छिपे हैं जहाँ हमने अभी तक नहीं देखा है, या वे सबसे आशावादी सिद्धांतों के सुझाव की तुलना में बहुत दुर्लभ हैं।

इस अध्ययन ने भौतिकी करने के एक नए तरीके को भी प्रदर्शित किया। बैकग्राउंड शोर को मॉडल करने के लिए उन्नत AI (गौसियन प्रोसेस और नॉर्मलाइजिंग फ्लोज़) का उपयोग करके, वे पहले की तुलना में डेटा की बहुत स्पष्ट तस्वीर प्राप्त करने में सक्षम थे। यह "डेटा-संचालित" (data-driven) दृष्टिकोण का अर्थ है कि उन्हें बैकग्राउंड कैसा होना चाहिए, इसके बारे में सैद्धांतिक अनुमानों पर बहुत अधिक निर्भर करने की आवश्यकता नहीं थी; उन्होंने डेटा को स्वयं बोलने दिया।

इसलिए, भले ही "बिग बॉस" और "साइडकिक" अभी भी मायावी बने हुए हैं, खोज जारी है। ATLAS टीम ने जंगल का एक बड़ा हिस्सा साफ कर दिया है, जिससे हमें पता चला है कि वे कण कहाँ नहीं हैं। यह अन्य वैज्ञानिकों को उनके सिद्धांतों को परिष्कृत करने और यह तय करने में मदद करता है कि आगे कहाँ देखना है। ब्रह्मांड अभी भी रहस्यों से भरा है, लेकिन इस खोज के साथ, हम थोड़ा और जानते हैं कि वे रहस्य कहाँ नहीं छिपे हैं।