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A measurement of the Higgs boson mass in the diphoton decay channel in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS डिटेक्टर द्वारा 2016 से 2018 तक एकत्र किए गए 13 TeV पर प्रोटॉन-प्रोटॉन टकराव के डेटा का उपयोग करते हुए, यह अध्ययन डिफोटॉन क्षय चैनल में हिग्स बोसोन के द्रव्यमान को 125.13 ± 0.15 GeV मापता है, जो परिष्कृत अंशांकन और नई विश्लेषण तकनीकों के माध्यम से बेहतर सटीकता प्राप्त करता है, और इस परिणाम को 7 और 8 TeV पर पिछले मापों के साथ संयोजित करके 125.06 ± 0.14 GeV का एक संयुक्त द्रव्यमान प्राप्त करता है।

मूल लेखक: CMS Collaboration

प्रकाशित 2026-07-31

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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

द कॉस्मिक गोल्डिलॉक्स ज़ोन (The Cosmic Goldilocks Zone)

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड एक विशाल, जटिल मशीन है जो अदृश्य लेगो ब्रिक्स (Lego bricks) से बनी है। दशकों से, वैज्ञानिक यह समझने की कोशिश कर रहे हैं कि ये ब्रिक्स आपस में कैसे जुड़ते हैं ताकि सबसे छोटे परमाणुओं से लेकर सबसे बड़े सितारों तक सब कुछ बन सके। इस पहेली का एक प्रमुख हिस्सा एक रहस्यमय बल है जिसे "हिग्स फील्ड" (Higgs field) कहा जाता है। इस फील्ड को एक घने, अदृश्य बर्फ के मैदान की तरह समझें जो पूरे ब्रह्मांड को ढके हुए है। कुछ कण, जैसे फोटॉन (प्रकाश), इसके माध्यम से बिना अटके तेजी से निकल जाते हैं, और तेज व द्रव्यमानहीन (massless) बने रहते हैं। अन्य कण, जैसे इलेक्ट्रॉन, इसके माध्यम से चलते हुए धीमे हो जाते हैं और "द्रव्यमान" (वजन या भारीपन) प्राप्त करते हैं। इस बर्फ के मैदान के बिना, कण कभी भी परमाणु बनाने के लिए आपस में नहीं जुड़ पाते, और हम यहाँ सवाल पूछने के लिए मौजूद नहीं होते।

2012 में, लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (LHC) के वैज्ञानिकों ने इस फील्ड का भौतिक प्रमाण खोज निकाला: एक कण जिसे 'हिग्स बोसोन' (Higgs boson) कहा जाता है। यह उस एकल हिमपात (snowflake) को खोजने जैसा है जो यह सिद्ध करता है कि बर्फ का मैदान मौजूद है। लेकिन इसे खोजना तो बस शुरुआत थी। अब, वैज्ञानिकों को इस हिमपात को अत्यधिक सटीकता के साथ मापना आवश्यक है। क्यों? क्योंकि इस कण का सटीक वजन यह गणना करने के लिए एक महत्वपूर्ण इनपुट है कि क्या ब्रह्मांड स्थिर है, या यह ताश के पत्तों का एक महल है जो किसी भी क्षण ढह सकता है। यह एक ब्रह्मांडीय "गोल्डिलॉक्स" समस्या है: यदि हिग्स बोसोन बहुत भारी या बहुत हल्का है, तो ब्रह्मांड जीवन को सहारा देने में सक्षम नहीं हो सकता है। इसलिए, इसके द्रव्यमान को मापना केवल गिनती के बारे में नहीं है; यह वास्तविकता की संरचनात्मक अखंडता (structural integrity) की जांच करने के लिए आवश्यक डेटा एकत्र करने के बारे में है।

अनकहे को तौलना: एक नया सटीक मापन (Weighing the Unweighable: A New Precision Measurement)

इस नए अध्ययन में, CMS सहयोग (CMS Collaboration), जो LHC में एक विशाल डिटेक्टर नामक CMS के साथ काम करने वाली वैज्ञानिकों की एक बड़ी टीम है, ने हिग्स बोसोन पर एक नई, अत्यंत सूक्ष्म दृष्टि डाली है। उन्होंने केवल पुराने डेटा को नहीं देखा; उन्होंने 2016 और 2018 के बीच एकत्र की गई ताज़ा जानकारी के एक विशाल ढेर का विश्लेषण किया, जब LHC रिकॉर्ड तोड़ ऊर्जा 13 TeV पर प्रोटॉन को आपस में टकरा रहा था। यह डेटा की एक विशाल मात्रा के बराबर है, जो 138 इनवर्स फेम्टोबार्स (138 inverse femtobarns - एक इकाई जिसका उपयोग भौतिक विज्ञानी यह गिनने के लिए करते हैं कि कितने टकराव हुए) के बराबर है।

टीम ने एक बहुत ही दुर्लभ घटना पर ध्यान केंद्रित किया: जब एक हिग्स बोसोन दो उच्च-ऊर्जा वाले फोटॉन (प्रकाश के कणों) में टूट जाता है (decay)। यह हर 10,000 हिग्स बोसोन में से केवल लगभग 23 बार होता है, जो इसे "भूसे के ढेर में सुई" (needle in a haystack) जैसी स्थिति बनाता है। हालाँकि, क्योंकि प्रकाश एक सीधी रेखा में यात्रा करता है और इसे ट्रैक करना आसान है, यह विशिष्ट क्षय चैनल (decay channel) एक उच्च-रिज़ॉल्यूशन कैमरे की तरह कार्य करता है, जिससे वैज्ञानिक अविश्वसनीय स्पष्टता के साथ हिग्स बोसोन के द्रव्यमान का पुनर्निर्माण कर सकते हैं।

प्रमुख निष्कर्ष (The Big Findings)
इन नए डेटा और अपने विश्लेषण में कुछ चतुर अपग्रेडों का उपयोग करते हुए, वैज्ञानिकों ने हिग्स बोसोन के द्रव्यमान को 125.13 ± 0.15 GeV मापा।

इसे विस्तार से समझें: "125.13" उनके द्वारा अनुमानित सर्वोत्तम वजन है।
"± 0.15" त्रुटि की सीमा है, जिसका अर्थ है कि वास्तविक मान लगभग निश्चित रूप से 124.98 और 125.28 के बीच है।
उन्होंने इस त्रुटि को दो भागों में विभाजित किया: 0.10 यादृच्छिक संयोग (सांख्यिकीय अनिश्चितता/statistical uncertainty) से आता है, और 0.12 उनके उपकरणों और विधियों की सीमाओं (व्यवस्थित अनिश्चितता/systematic uncertainty) से आता है।

इसे संदर्भ में रखने के लिए, उन्होंने इस नए परिणाम को अपने पुराने मापों के साथ जोड़ा जब LHC कम ऊर्जा (7 और 8 TeV) पर चल रहा था। जब उन्होंने इस पूरे डेटा को एक साथ मिलाया, तो संयुक्त द्रव्यमान 125.06 ± 0.14 GeV आया। यह एक उल्लेखनीय सटीक संख्या है, जो हिग्स बोसोन के संभावित वजन को पहले की तुलना में अधिक मजबूती से सीमित करती है।

उन्होंने यह कैसे किया (जादुई तकनीकें/The Magic Tricks)
असली कहानी केवल इस संख्या के बारे में नहीं है, बल्कि इस बारे में है कि उन्होंने इसे इतना सटीक कैसे बनाया। टीम को कुछ कठिन बाधाओं को पार करना पड़ा:

रूलर (मापने वाले पैमाने) को कैलिब्रेट करना: द्रव्यमान को मापने के लिए, उन्हें पहले यह सुनिश्चित करना था कि उनका "रूलर" (डिटेक्टर की ऊर्जा मापने की क्षमता) पूर्ण हो। उन्होंने इलेक्ट्रॉन ऊर्जा स्केल को कैलिब्रेट करने के लिए Z बोसोन नामक एक ज्ञात कण का उपयोग किया, जो दो इलेक्ट्रॉनों में टूट जाता है। लेकिन फोटॉन पेचीदा होते हैं; वे इलेक्ट्रॉनों की तुलना में डिटेक्टर के साथ थोड़ा अलग तरह से परस्पर क्रिया करते हैं। इसे ठीक करने के लिए, उन्होंने एक विशेष "ब्रिज" तकनीक का उपयोग किया जिसमें एक दुर्लभ क्षय शामिल है जहाँ एक Z बोसोन दो म्यूऑन (muons) और एक फोटॉन में बदल जाता है। इसने उन्हें सीधे यह तुलना करने की अनुमति दी कि डिटेक्टर इलेक्ट्रॉनों बनाम फोटॉन को कैसे देखता है और किसी भी अंतर को ठीक करने में मदद की।
"बर्फ के नुकसान" को ठीक करना: समय के साथ, LHC के भीतर तीव्र विकिरण डिटेक्टर के क्रिस्टल को नुकसान पहुँचाता है (जैसे बर्फ का गंदा होना), जो ऊर्जा के उनके मापन को बदल सकता है। टीम ने विशेष रूप से फोटॉन के लिए इस नुकसान को ध्यान में रखने के लिए एक नई विधि विकसित की, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि वर्षों के दौरान उनके माप में कोई विचलन न आए।
सुई को खोजना: उन्होंने लाखों टकरावों को छानने के लिए एक स्मार्ट कंप्यूटर प्रोग्राम ("बूस्टेड डिसीजन ट्री") का उपयोग किया। इस प्रोग्राम ने उन विशिष्ट पैटर्न को पहचानना सीखा जो एक हिग्स बोसोन के दो फोटॉन में बदलने जैसे दिखते हैं, जबकि अरबों बैकग्राउंड घटनाओं को अनदेखा कर दिया जो शोर (noise) की तरह दिखती हैं।

उन्होंने क्या नहीं पाया (और यह क्यों मायने रखता है)
यह शोध पत्र यह दावा नहीं करता है कि उसने किसी नए कण या नए बल की खोज की है। इसके बजाय, यह कड़ाई से पुष्टि करता है कि भौतिकी का 'स्टैंडर्ड मॉडल' (Standard Model) कायम है। मापा गया द्रव्यमान सटीक अवलोकनों के वैश्विक फिट में उपयोग किए गए मान के अनुरूप है, और सिग्नल स्ट्रेंथ स्टैंडर्ड मॉडल के पूर्वानुमान के अनुकूल है। उन्होंने "इंटरफेरेंस" (interference) नामक एक सूक्ष्म प्रभाव की भी जांच की, जहाँ हिग्स सिग्नल बैकग्राउंड शोर के साथ मिल सकता है। उन्होंने पाया कि यह प्रभाव मौजूद है लेकिन छोटा है, और उन्होंने इसके प्रभाव (लगभग 27 MeV का बदलाव) की गणना की ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि यह उनके अंतिम परिणाम को प्रभावित न करे।

निष्कर्ष (The Bottom Line)
यह शोध पत्र सटीक इंजीनियरिंग और सांख्यिकीय जासूसी का एक विजय है। अपने उपकरणों को परिष्कृत करके और एक विशाल नए डेटासेट का विश्लेषण करके, CMS टीम ने हिग्स बोसोन के द्रव्यमान के इर्द-गिर्द घेरा कस दिया है। उन्होंने पूरे ब्रह्मांड के रहस्य को हल नहीं किया है, लेकिन उन्होंने इसके सबसे महत्वपूर्ण घटकों में से एक को इतनी सटीकता के साथ मापा है कि अब हम ब्रह्मांड की स्थिरता का परीक्षण करने के लिए आवश्यक सटीक इनपुट प्रदान कर सकते हैं। हिग्स बोसोन का वजन लगभग 125.13 GeV है, जिसमें मामूली अंतर हो सकता है, और स्टैंडर्ड मॉडल एक और कठिन परीक्षण में सफल रहा है।

तकनीकी सारांश: $\sqrt{s} = 13$ TeV पर डैपोटोन क्षय चैनल में हिग्स बोसॉन के द्रव्यमान का मापन

समस्या और प्रेरणा
हिग्स बोसॉन का द्रव्यमान ( $m_H$ ) स्टैंडर्ड मॉडल (SM) का एक मौलिक पैरामीटर है जो स्वयं सिद्धांत द्वारा अनुमानित नहीं है। $m_H$ का सटीक मापन SM की निरंतरता के परीक्षण के लिए महत्वपूर्ण है, विशेष रूप से इलेक्ट्रोवीक वैक्यूम की स्थिरता और इसके ब्रह्मांडीय निहितार्थों के संबंध में। इसके अतिरिक्त, $m_H$ , इलेक्ट्रोवीक प्रिसिजन ऑब्जर्वेबल्स के ग्लोबल फिट के लिए एक महत्वपूर्ण इनपुट के रूप में कार्य करता है, जहाँ टॉप क्वार्क और हिग्स बोसॉन से जुड़े लूप-लेवल योगदान $W$ बोसॉन के द्रव्यमान के लिए रेडिएटिव करेक्शन उत्पन्न करते हैं। यह शोध पत्र CMS डिटेक्टर द्वारा $\sqrt{s} = 13$ TeV के केंद्र-द्रव्यमान ऊर्जा पर एकत्र किए गए पूर्ण Run 2 डेटासेट का उपयोग करके $m_H$ के एक परिष्कृत मापन को प्रस्तुत करता है, जिसका लक्ष्य डोमिनेंट सिस्टमैटिक अनसर्टेन्टीज़ (विशेष रूप से फोटॉन ऊर्जा अंशांकन से संबंधित) को संबोधित करके पिछलेतम शुद्धता में सुधार करना है। यद्यपि डैपोटोन क्षय चैनल ( $H \to \gamma\gamma$ ) का ब्रांचिंग फ्रैक्शन छोटा ( $\approx 0.23\%$ ) है, लेकिन यह उत्कृष्ट इनवेरिएंट मास रेज़ोल्यूशन प्रदान करता है, जो इसे फोर-लेप्टोन चैनल ( $H \to ZZ \to 4\ell$ ) के साथ मिलकर सटीक द्रव्यमान मापन के लिए प्रमुख चैनलों में से एक बनाता है। यह शोध पत्र $m_H$ के मापन को बेहतर बनाने के उद्देश्य से प्रस्तुत किया गया है।

कार्यप्रणाली (Methodology)
यह विश्लेषण 2016 और 2018 के बीच रिकॉर्ड किए गए प्रोटॉन-प्रोटॉन कोलिजन डेटा का उपयोग करता है, जो 138 fb $^{-1}$ के एकीकृत ल्यूमिनोसिटी (integrated luminosity) के अनुरूप है। इवेंट सिलेक्शन के लिए दो फोटॉन उम्मीदवारों की आवश्यकता होती है जो विशिष्ट किनेमैटिक थ्रेशोल्ड ( $p_T^{\gamma,1} > m_{\gamma\gamma}/3$ और $p_T^{\gamma,2} > m_{\gamma\gamma}/4$ ) को पूरा करते हों और जिनका इनवेरिएंट मास 100–180 GeV की सीमा के भीतर हो।

पिछले CMS मापन की तुलना में मुख्य कार्यप्रणालीगत प्रगति निम्नलिखित है:

परिष्कृत ऊर्जा अंशांकन (Refined Energy Calibration): इलेक्ट्रॉन और फोटॉन ऊर्जा स्केल्स के बीच के अंतर से उत्पन्न होने वाली सिस्टमैटिक अनसर्टेन्टीज़ को कम करने के लिए एक तीन-चरणीय अंशांकन प्रक्रिया का उपयोग किया गया है।
- चरण 1: $Z \to ee$ क्षय का उपयोग करके इलेक्ट्रॉन ऊर्जा स्केल्स प्राप्त किए जाते हैं।
- चरण 2: एक सिमुलेशन-आधारित "यूनिफॉर्मिटी" सुधार, जो इलेक्ट्रोमैग्नेटिक कैलोरीमीटर (ECAL) के लीड टंगस्टेट (PbWO $_4$ ) क्रिस्टल में रेडिएशन डैमेज के प्रभाव को ध्यान में रखता है, जो फोटॉन और इलेक्ट्रॉन के अलग-अलग लोंगीट्यूडिनल डेवलपमेंट प्रोफाइल के कारण उन्हें अलग तरह से प्रभावित करता है।
- चरण 3: फोटॉन और इलेक्ट्रॉन ऊर्जा स्केल्स के बीच शेष अंतर को $Z \to \mu\mu\gamma$ क्षय से प्राप्त फाइनल-स्टेट रेडिएशन (FSR) फोटॉन का उपयोग करके सीधे मापा जाता है। यह प्रत्यक्ष मापन इलेक्ट्रॉन अंशांकन को फोटॉन तक एक्सट्रपलेशन करने से जुड़ी अनसर्टेन्टीज़ को हटा देता है।
ग्रैनुलर रेज़ोल्यूशन करेक्शन: विश्लेषण फोटॉन ऊर्जा रेज़ोल्यूशन के लिए ट्रांसवर्स एनर्जी ( $E_T$ )-डिपेंडेंट करेक्शन पेश करता है, जो $Z \to ee$ घटनाओं से प्राप्त किया गया है, जिससे पिछले $E_T$ -इंडिपेंडेंट दृष्टिकोणों की तुलना में मास रेज़ोल्यूशन का बेहतर मॉडलिंग होता है।
इवेंट कैटेगराइजेशन: घटनाओं को डिटेक्टर क्षेत्र (बैरल बनाम एंडकैप) और एक मल्टीवेरिएट सिग्नल-टू-बैकग्राउंड डिस्क्रिमिनेटर (BDT) के आधार पर वर्गीकृत किया जाता है, जिसे XGBOOST फ्रेमवर्क का उपयोग करके प्रशिक्षित किया गया है। BDT किनेमैटिक वेरिएबल्स, फोटॉन आइडेंटिफिकेशन स्कोर और इवेंट-लेवल रेज़ोल्यूशन अनुमानों का उपयोग करता है। श्रेणियों को सिग्नल सिग्निफिकेंस ( $S/\sqrt{B}$ ) को अधिकतम करने और मास रेज़ोल्यूशन को न्यूनतम करने के लिए अनुकूलित किया गया है।
सांख्यिकीय विश्लेषण: सभी श्रेणियों में डैपोटोन इनवेरिएंट मास ( $m_{\gamma\gamma}$ ) वितरण पर एक सिमल्टेनियस बिन्ड मैक्सिमम लाइकलीहुड फिट किया जाता है। सिग्नल मॉडल को वोल्टियन (Voigtian) फंक्शन के साथ फिट की गई सिमुलेटेड घटनाओं से बनाया गया है, जबकि बैकग्राउंड मॉडल को फंक्शनल फॉर्म अनसर्टेन्टीज़ को ध्यान में रखते हुए डिस्क्रीट प्रोफाइलिंग विधि का उपयोग करके सीधे डेटा से प्राप्त किया गया है। सिस्टमैटिक अनसर्टेन्टीज़, जैसे कि फोटॉन ऊर्जा स्केल, रेज़ोल्यूशन और सिग्नल तथा कंटीन्यूम बैकग्राउंड के बीच हस्तक्षेप (interference) से संबंधित, को नूसेंस पैरामीटर्स (nuisance parameters) के रूप में लागू किया गया है।

मुख्य योगदान

प्रत्यक्ष फोटॉन अंशांकन: मुख्य योगदान $Z \to \mu\mu\gamma$ घटनाओं का उपयोग करके एक अंशांकन रणनीति का कार्यान्वयन है, जो फोटॉन और इलेक्ट्रॉन के बीच शेष ऊर्जा स्केल अंतर को सीधे मापता है। यह उस सिस्टमैटिक अनसर्टेन्टी को काफी कम कर देता है जो पहले इलेक्ट्रॉन स्केल्स को फोटॉन तक एक्सट्रपलेशन करने से जुड़ी थी।
रेडिएशन डैमेज मॉडलिंग: ECAL क्रिस्टल में रेडिएशन-प्रेरित नॉन-यूनिफॉर्मिटी के लिए एक सिमुलेशन-आधारित सुधार का परिचय, जो विशेष रूप से फोटॉन और इलेक्ट्रॉन के भिन्न शॉवर प्रोफाइल को संबोधित करता है।
बेहतर रेज़ोल्यूशन मॉडलिंग: $E_T$ -डिपेंडेंट ऊर्जा रेज़ोल्यूशन करेक्शन का व्युत्पन्न, जो यह स्वीकार करता है कि हिग्स क्षय में फोटॉन की औसत ऊर्जा ( $\approx 60$ GeV) अंशांकन के लिए उपयोग किए गए इलेक्ट्रॉन्स ( $\approx 45$ GeV) से भिन्न है।
इंटरफेरेंस ट्रीटमेंट: ग्लूऑन-फ्यूजन-प्रेरित $H \to \gamma\gamma$ सिग्नल और कंटीन्यूम डैपोटोन बैकग्राउंड के बीच हस्तक्षेप से जुड़ी सिस्टमैटिक अनसर्टेन्टी को स्पष्ट रूप से अनुमानित और शामिल किया गया है।

परिणाम
यह मापन हिग्स बोसॉन के द्रव्यमान को इस प्रकार प्रदान करता है:
$m_H = 125.13 \pm 0.15 \text{ GeV} = 125.13 \pm 0.10 \text{ (stat)} \pm 0.12 \text{ (syst)} \text{ GeV}$

प्रमुख सिस्टमैटिक अनसर्टेन्टीज़ $Z \to \mu\mu\gamma$ सैंपल की सांख्यिकीय सीमाओं, म्यून मोमेंटम स्केल और हाई $E_T$ पर नॉन-लिनियैरिटी से उत्पन्न होती हैं। कुल सिस्टमैटिक अनसर्टेन्टी 117 MeV है, जबकि सांख्यिकीय अनसर्टेन्टी 98 MeV है।

जब इसे $\sqrt{s} = 7$ और 8 TeV डेटा के पिछले CMS मापन के साथ जोड़ा जाता है (यह मानते हुए कि इन डेटासेट्स के बीच कोई सहसंबंध नहीं है), तो संयुक्त द्रव्यमान है:
$m_H = 125.06 \pm 0.14 \text{ GeV} = 125.06 \pm 0.09 \text{ (stat)} \pm 0.11 \text{ (syst)} \text{ GeV}$

सिग्नल स्ट्रेंथ पैरामीटर $\mu$ को $0.95 \pm 0.06 \text{ (stat)} \pm 0.07 \text{ (syst)}$ के रूप में मापा गया है, जो $\mu = 1$ के स्टैंडर्ड मॉडल प्रेडिक्शन के अनुरूप है।

महत्व
शोध पत्र दावा करता है कि नई विश्लेषण तकनीकें, विशेष रूप से परिष्कृत डिटेक्टर अंशांकन और प्रत्यक्ष फोटॉन ऊर्जा स्केल निर्धारण के लिए $Z \to \mu\mu\gamma$ घटनाओं का उपयोग, डैपोटोन चैनल में पिछले CMS मापन की तुलना में सिस्टमैटिक अनसर्टेन्टी में लगभग दो गुना कमी के परिणामस्वरूप हुई हैं। यह परिणाम 7 और 8 TeV पर पिछले CMS मापन (1.2 मानक विचलन के भीतर) और ATLAS मापन के अनुरूप है। संयुक्त परिणाम हिग्स बोसॉन द्रव्यमान के वैश्विक परिशुद्धता निर्धारण में योगदान देता है, जो स्टैंडर्ड मॉडल के इलेक्ट्रोवीक सेक्टर के लिए एक कठोर परीक्षण प्रदान करता है। यह विश्लेषण उन्नत अंशांकन रणनीतियों और मल्टीवेरिएट विश्लेषण तकनीकों के माध्यम से CMS डिटेक्टर की उच्च-परिशुद्धता द्रव्यमान मापन प्राप्त करने की क्षमता को प्रदर्शित करता है।

द कॉस्मिक गोल्डिलॉक्स ज़ोन (The Cosmic Goldilocks Zone)

अनकहे को तौलना: एक नया सटीक मापन (Weighing the Unweighable: A New Precision Measurement)

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