Observation of the electroweak production of $\gamma\gamma jj$ at $\sqrt{s}=13$ TeV in $140\ \text{fb}^{-1}$ of $pp$ collision data with the ATLAS detector

ब्रह्मांडीय पिनबॉल मशीन और भूतिया ग्लिच (The Cosmic Pinball Machine and the Ghostly Glitch)

कल्पना कीजिए कि ब्रह्त्व एक विशाल, अदृश्य नियम पुस्तिका की तरह है जो यह तय करती है कि नन्हे परमाणुओं से लेकर विशाल सितारों तक सब कुछ कैसे व्यवहार करता है। दशकों से, वैज्ञानिक इस पुस्तक को पढ़ रहे हैं, और अब तक का सबसे सफल अध्याय "स्टैंडर्ड मॉडल" (Standard Model) है। यह हमारे संसार को बनाने वाले कणों के लिए एक सटीक निर्देश पुस्तिका की तरह है, जो यह भविष्यवाणी करती है कि वे अविश्वसनीय सटीकता के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। लेकिन, किसी भी अच्छे रहस्यमय उपन्यास की तरह, इसमें संकेत हैं कि शायद इस मैनुअल के कुछ पन्ने गायब हो सकते हैं। भौतिकविदों को संदेह है कि इन अंतरालों में "नई भौतिकी" (new physics) छिपी हुई है—अजीब बल या कण जिन्हें वर्तमान नियम अभी तक नहीं समझा पा रहे हैं।

इन छिपे हुए रहस्यों को खोजने के लिए, वैज्ञानिक विशाल कण त्वरक (particle accelerators) बनाते हैं, जैसे कि स्विट्जरलैंड में स्थित लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (LHC)। LHC को एक ब्रह्मांडीय पिनबॉल मशीन के रूप में सोचें जहाँ वे प्रोटॉन (पदार्थ के छोटे निर्माण खंड) को लगभग प्रकाश की गति से आपस में टकराते हैं। जब ये प्रोटॉन टकराते हैं, तो वे ऊर्जा का एक अराजक विस्फोट पैदा करते हैं जो क्षण भर के लिए नए, भारी कणों को जन्म देता है। इन टक्करों के मलबे का अध्ययन करके, वैज्ञानिक यह जांच सकते हैं कि क्या स्टैंडर्ड मॉडल की भविष्यवाणियां कायम रहती हैं या कुछ अजीब हो रहा है। एक विशिष्ट प्रकार की टक्कर जिसे वे देखना पसंद करते हैं, वह है जब दो प्रकाश के कण (फोटोन) और मलबे की दो जेट्स एक साथ बाहर निकलती हैं। यदि ये कण इस तरह से परस्पर क्रिया करते हैं जो स्टैंडर्ड मॉडल के नियमों को तोड़ता है, तो यह भौतिकी के एक पूरे नए अध्याय का पहला सुराग हो सकता है।

भूतिया "इलेक्ट्रोवीक" नृत्य को पकड़ना (Catching the Ghostly "Electroweak" Dance)

इस नए अध्ययन में, ATLAS सहयोग (ATLAS collaboration), जो एक विशाल डिटेक्टर ATLAS के साथ काम करने वाली वैज्ञानिकों की एक बड़ी टीम है, ने एक बहुत ही विशिष्ट, दुर्लभ घटना की तलाश करने का निर्णय लिया: दो फोटोन और दो जेट्स का "इलेक्ट्रोवीक उत्पादन" (electroweak production)। यह समझने के लिए कि यह क्यों महत्वपूर्ण है, कल्पना कीजिए कि दो नर्तक (फोटोन) और दो बैकअप डांसर (जेट्स) एक मंच पर प्रदर्शन कर रहे हैं। आमतौर पर, ये नर्तक "स्ट्रॉन्ग" (strong) बल के माध्यम से परस्पर क्रिया करते हैं, जो एक शोर मचाने वाली, उग्र भीड़ की तरह है जो उन्हें धकेलता है। लेकिन टीम एक विशिष्ट, शांत नृत्य की मुद्रा की तलाश कर रही थी जिसे "इलेक्ट्रोवीक उत्पादन" कहा जाता है, जहाँ नर्तक एक बहुत ही सूक्ष्म, भूतिया बल के माध्यम से परस्पर क्रिया करते हैं जो शोर वाली भीड़ पर निर्भर नहीं करता है। यह विशिष्ट नृत्य बल-वाहक कणों के "स्व-परस्पर क्रिया" (self-interaction) के प्रति संवेदनशील है, जो मूल रूप से यह परीक्षण करता है कि क्या बल क्षेत्र बिना किसी मदद के एक-दूसरे से बात कर सकते हैं।

टीम ने 13 TeV की ऊर्जा पर 140 बिलियन बिलियन (140 fb⁻¹) प्रोटॉन टकरावों के डेटा का विश्लेषण किया। यह कुछ विशिष्ट सोने के दानों को खोजने के लिए रेत के पहाड़ को छानने जैसा था। उन्हें "शोर" को फ़िल्टर करना था—वे सामान्य, अव्यवस्थित टकराव जो हर समय होते रहते हैं—और केवल उन घटनाओं पर ध्यान केंद्रित करना था जहाँ दो अलग-थलग फोटोन और दो जेट्स एक बहुत ही विशिष्ट पैटर्न में दिखाई देते हैं, जिसे "वेक्टर बोसॉन स्कैटरिंग" (Vector Boson Scattering) टोपोलॉजी के रूप में जाना जाता है। यह पैटर्न एक हस्ताक्षर की तरह है जो कहता है, "हे, यह सिर्फ एक रैंडम उभार नहीं था; यह एक जानबूझकर की गई, सूक्ष्म परस्पर क्रिया थी।"

सभी कठिन परिश्रम के बाद, टीम को वह मिल गया जिसकी वे तलाश कर रहे थे। उन्होंने दो फोटोन और दो जेट्स के इलेक्ट्रोवीक उत्पादन को 6.2𝜎 के सांख्यिकीय महत्व के साथ देखा। कण भौतिकी की दुनिया में, एक "5-सिग्मा" परिणाम खोज का दावा करने का स्वर्ण मानक है (इसका अर्थ है कि परिणाम के संयोग होने की संभावना दस लाख में एक से भी कम है)। इसलिए, 6.2𝜎 के साथ, टीम ने केवल यह सुझाव नहीं दिया कि यह होता है; उन्होंने इसे देखा। उन्होंने इस घटना की दर, या "क्रॉस-सेक्शन" को 13.8 +3.0 −2.6 fb मापा। जब उन्होंने इसकी तुलना स्टैंडर्ड मॉडल की 17.1 +2.4 −2.4 fb की भविष्यवाणी से की, तो उन्होंने पाया कि संख्याएं अच्छी तरह से मेल खाती हैं। ऐसा लगता है कि ब्रह्मांड, इस विशेष नृत्य के लिए, अभी भी मौजूदा निर्देश पुस्तिका के नियमों का पालन कर रहा है।

"नई भौतिकी" के राक्षसों को खारिज करना (Ruling Out the "New Physics" Monsters)

लेकिन वैज्ञानिक केवल नर्तकों को गिनने तक ही नहीं रुके। वे यह देखना चाहते थे कि क्या नृत्य थोड़ा अलग था जो "नई भौतिकी" का संकेत दे सके। उन्होंने विसंगतियों को खोजने के लिए "इफेक्टिव फील्ड थ्योरी" (Effective Field Theory - EFT) नामक एक गणितीय ढांचे का उपयोग किया। कल्पना कीजिए कि स्टैंडर्ड मॉडल एक पूरी तरह से चिकना डांस फ्लोर है। यदि वहां अदृश्य रूप से नई, भारी भौतिकी या अजीब बल छिपे हुए हैं, तो वे फर्श को थोड़ा ऊबड़-खाबड़ बना सकते हैं, जिससे नर्तक लड़खड़ा सकते हैं या अजीब तरह से घूम सकते हैं। टीम ने "विल्सन गुणांकों" (Wilson coefficients) की जाँच करके इन "उभारों" को खोजने की कोशिश की, जो वे संख्याएं हैं जो इन संभावित नई परस्पर क्रियाओं की ताकत का वर्णन करती हैं।

उन्होंने विशेष रूप से "एनोमलस क्वार्टिक गेज कपलिंग्स" (anomalous quartic gauge couplings) की तलाश की, जो चार बल-वाहक कणों के बीच अजीब परस्पर क्रिया के लिए फैंसी शब्द हैं। यदि ये मौजूद थे, तो वे स्टैंडर्ड मॉडल से परे भौतिकी का एक बड़ा संकेत होते। हालाँकि, गणना करने के बाद, टीम को स्टैंडर्ड मॉडल से कोई सांख्यिकीय रूप से महत्वपूर्ण विचलन नहीं मिला। इसके बजाय, उन्होंने इन संभावित विसंगतियों के कितने बड़े होने की सीमा निर्धारित की। उन्होंने पाया कि सबसे संवेदनशील ऑपरेटर्स, fT5/Λ4 और fT8/Λ4 के लिए विल्सन गुणांक क्रमशः [−0.400, 0.372] TeV⁻⁴ और [−0.220, 0.219] TeV⁻⁴ की सीमाओं के भीतर हैं।

साधारण भाषा में, इसका अर्थ यह है कि यदि कोई नए, भारी कण या अजीब बल इस विशिष्ट नृत्य में गड़बड़ी करने की कोशिश कर रहे हैं, तो वे या तो बहुत कमजोर हैं या बहुत भारी हैं, जो वर्तमान डेटा की पहुंच से परे छिपे हुए हैं। यह शोध पत्र पूरी तरह से नई भौतिकी के अस्तित्व को खारिज नहीं करता है, लेकिन यह दिखाता है कि इस प्रकार की "नई भौतिकी" वर्तमान डेटा के साथ देखे जाने के लिए पर्याप्त मजबूत नहीं है। परिणाम स्टैंडर्ड मॉडल के अनुरूप हैं, जिसका अर्थ है कि "भूतिया" इलेक्ट्रोवीक नृत्य ठीक वैसे ही हो रहा है जैसा कि पुराने नियम पुस्तिका ने भविष्यवाणी की थी, बिना किसी आश्चर्यजनक ग्लिच के। हालांकि यह सुनने में "कोई नई खोज नहीं" वाला परिणाम लग सकता है, लेकिन यह वास्तव में स्टैंडर्ड मॉडल के लिए एक बड़ी जीत है, जो इन जटिल, उच्च-ऊर्जा परिदृश्यों में भी इसकी मजबूती की पुष्टि करता है। टीम ने दोनों "शोर" (QCD) और "शांत" (electroweak) नृत्यों की संयुक्त दर को भी मापा, जिससे कुल दर 54.3 +4.6 −4.8 fb मिली, जो फिर से सैद्धांतिक भविष्यवाणियों से मेल खाती है।

तो, कहानी का अंत ATLAS टीम द्वारा कण कोलाइडर के अराजक माहौल में एक दुर्लभ, सूक्ष्म नृत्य को सफलतापूर्वक देखने के साथ होता है। उन्होंने पुष्टि की कि यह होता है, मापा कि यह कितनी बार होता है, और जांचा कि क्या नर्तक कुछ अजीब कर रहे थे। उन्हें कुछ भी अजीब नहीं मिला, जो हमें बताता है कि ब्रह्मांड अभी भी हमारे ज्ञात नियमों के अनुसार खेल रहा है—कम से कम अभी के लिए। लेकिन खोज जारी है, क्योंकि कण भौतिकी की दुनिया में, अगली दुर्लभ घटना वही हो सकती है जो अंततः ब्रह्मांडीय नियम पुस्तिका के गायब पन्नों को प्रकट कर दे।