Search for the charged lepton flavour violating decay
BESIII डिटेक्टर द्वारा एकत्र किए गए लगभग 90 मिलियन घटनाओं के एक डेटासेट का उपयोग करते हुए, यह अध्ययन के आवेशित लेप्टॉन फ्लेवर उल्लंघनकारी क्षय (charged lepton flavour violating decay) की पहली खोज की रिपोर्ट करता है, जो 90% विश्वास स्तर पर इसके ब्रांचिंग अंश (branching fraction) पर की एक नई ऊपरी सीमा निर्धारित करता है, जो पिछले परिणामों की तुलना में लगभग तीन क्रमों (orders of magnitude) से सुधार करता है।
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ब्रह्मांड की कल्पना एक विशाल, ब्रह्मांडीय 'म्यूजिकल चेयर्स' (musical chairs) के खेल के रूप में करें, जिसे नन्हे कण खेल रहे हैं। इस खेल में, कौन कहाँ बैठ सकता है, इसके सख्त नियम हैं। इनमें से एक सबसे मौलिक नियम है "फ्लेवर संरक्षण" (flavor conservation)। "फ्लेवर" को एक विशिष्ट वर्दी या टीम की जर्सी की तरह समझें। इलेक्ट्रॉन नीला पहनते हैं, म्यूऑन लाल, और ताऊ हरा। भौतिकी की मानक नियमावली (स्टैंडर्ड मॉडल) में, नीली जर्सी पहने खिलाड़ी को संगीत बजने के दौरान अचानक अपनी जर्सी बदलकर लाल पहनने की अनुमति नहीं है। वे अपनी टीम पर टिके रहते हैं।
हालाँकि, वैज्ञानिकों ने हाल ही में पाया कि न्यूट्रिनो—जो इन कणों के भूतिया, लगभग द्रव्यमानहीन चचेरे भाई हैं—नियम तोड़ते हैं। वे अपना फ्लेवर बदल सकते हैं, जो बिल्कुल वैसा ही है जैसे एक नीला खिलाड़ी चुपके से अपनी जर्सी बदलकर लाल रंग की पहन ले। लेकिन यहाँ एक पेंच है: जबकि न्यूट्रिनो ऐसा कर सकते हैं, भारी, आवेशित कण (जैसे इलेक्ट्रॉन और म्यूऑन) बहुत अधिक जिद्दी होने चाहिए। यदि हम कभी किसी इलेक्ट्रॉन और म्यूऑन को इस तरह जगह बदलते हुए पकड़ लें जो नहीं होना चाहिए था, तो यह एक पुख्ता सबूत (smoking gun) जैसा होगा। इसका मतलब होगा कि पर्दे के पीछे छिपे हुए खिलाड़ी, अदृश्य बल, या पूरी तरह से नया भौतिक विज्ञान मौजूद है, जो उन नियमों को तोड़ रहा है जिन्हें हम अटूट मानते थे। यह "चार्ज्ड लेप्टॉन फ्लेवर वायलेशन" (CLFV) की खोज है: मैट्रिक्स में एक गड़बड़ी (glitch) को खोजने की कोशिश, जो यह साबित करे कि हमारा ब्रह्मांड हमारे वर्तमान मानचित्र से कहीं अधिक बड़ा है।
BESIII में महान जर्सी स्वैप की खोज
इस खोज के नवीनतम अध्याय में, BESIII सहयोग ने चीन के BEPCII कोलाइडर में स्थित एक विशाल, हाई-टेक कैमरा और सेंसर एरे (detector) के माध्यम से अत्यंत चौकस जासूसों की एक टीम की तरह काम किया। उन्होंने एक विशिष्ट, दुर्लभ घटना पर अपनी नज़र गड़ाई: एक कण जिसे एटा-प्राइम () कहा जाता है, उसका एक इलेक्ट्रॉन और एक म्यूऑन में क्षय (decay) होना ()। यदि ऐसा होता, तो यह नए भौतिक विज्ञान का एक स्पष्ट संकेत होता।
इस दुर्लभ घटना को पकड़ने के लिए, टीम को संदिग्धों की एक विशाल भीड़ की आवश्यकता थी। उन्होंने (यानी लगभग 9 अरब!) इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन के टकरावों से डेटा एकत्र किया। इन टकरावों ने भारी संख्या में कण पैदा किए। को एक जनक कण (parent particle) के रूप में समझें जो टूटने पर कभी-कभी एक एटा-प्राइम () और एक फोटॉन (प्रकाश का एक कण) को जन्म देता है। टीम ने अनुमान लगाया कि इन सभी टकरावों में से, उन्होंने निरीक्षण के लिए लगभग एटा-प्राइम कण बनाए थे।
टीम की रणनीति एक भीड़ भरे कमरे में जाल बिछाने जैसी थी। वे जानते थे कि यदि एटा-प्राइम नियमों को तोड़ता है, तो "अपराध स्थल" कैसा दिखेगा: वह गायब हो जाएगा और पीछे दो निशान छोड़ देगा—एक इलेक्ट्रॉन और एक म्यूऑन—जो विपरीत दिशाओं में जा रहे होंगे। उन्होंने इन कणों की पहचान करने के लिए डिटेक्टर के अति-संवेदनशील उपकरणों का उपयोग किया। डिटेक्टर में ऐसी परतें हैं जो एक छलनी की तरह काम करती हैं:
- ड्रिफ्ट चैंबर (Drift Chamber) कणों के पथ को ट्रैक करता है।
- टाइम-ऑफ-फ्लाइट सिस्टम (Time-of-Flight system) यह मापता है कि वे कितनी तेजी से चल रहे हैं।
- इलेक्ट्रोमैग्नेटिक कैलोरीमीटर (Electromagnetic Calorimeter) यह मापता है कि जब वे इससे टकराते हैं तो कितनी ऊर्जा छोड़ते हैं।
- म्यूऑन काउंटर (Muon Counter) यह जाँचता है कि क्या कोई कण स्टील की परतों को भेद सकता है (म्यूऑन मजबूत होते हैं; पायोन आमतौर पर नहीं होते)।
इन सभी सुरागों को जोड़कर, वे एक वास्तविक इलेक्ट्रॉन, एक वास्तविक म्यूऑन और पायोन जैसे छद्म रूपों (imposters) के बीच अंतर कर सकते थे, जो आम हैं लेकिन वहां नहीं होने चाहिए। उन्होंने एक विशिष्ट "रिकोइल मास" (recoil mass) की भी तलाश की—एक गणितीय फिंगरप्रिंट जो पुष्टि करता है कि एटा-प्राइम गायब होने से पहले वहां मौजूद था।
फैसला: कोई स्वैप नहीं मिला
अरबों घटनाओं को छानने और अविश्वसनीय रूप से सख्त फिल्टर लगाने के बाद, टीम को दो ऐसे संभावित मामले मिले जो उस अपराध की तरह लग रहे थे जिसकी वे तलाश कर रहे थे। हालाँकि, जब उन्होंने अपने बैकग्राउंड नॉइज़ (ज्ञात भौतिकी से होने वाले रैंडम टकरावों का "स्टैटिक") की जाँच की, तो उन्हें एहसास हुआ कि ज्ञात भौतिकी से शून्य घटनाओं की अपेक्षा थी। लेकिन, क्योंकि डेटा बहुत साफ था और बैकग्राउंड बहुत कम था, वे दो घटनाएं एक स्पष्ट "स्मोकिंग गन" के रूप में उभरकर नहीं आईं। वे संभवतः सांख्यिकी का एक संयोग (fluke) थीं।
इसलिए, टीम को वह नया भौतिक विज्ञान नहीं मिला जिसकी वे तलाश कर रहे थे। इसके बजाय, उन्होंने इस पर एक नया, अविश्वसनीय रूप से सख्त सीमा (limit) निर्धारित की कि यह "जर्सी स्वैप" कितनी बार हो सकता है। उन्होंने गणना की कि एटा-प्राइम के इलेक्ट्रॉन और म्यूऑन में बदलने की संभावना (ब्रांचिंग फ्रैक्शन) 90% विश्वास स्तर पर (या 0.00000063) से कम है।
यह क्यों महत्वपूर्ण है
यह परिणाम एक बड़ी बात है क्योंकि यह पिछले सर्वश्रेष्ठ रिकॉर्ड को लगभग तीन आदेशों की मात्रा (three orders of magnitude) से बेहतर बनाता है। इससे पहले, यह सीमा थी। इसे समझने के लिए, यदि पुराना रिकॉर्ड कहता था कि यह घटना हर 2,000 प्रयासों में एक बार हो सकती है, तो नया रिकॉर्ड कहता है कि यह हर 1.5 मिलियन प्रयासों में एक बार से भी कम होती है।
इस जाल को और कसकर, वैज्ञानिकों ने उन सैद्धांतिक मॉडलों के एक बड़े हिस्से को खारिज कर दिया है जिन्होंने भविष्यवाणी की थी कि यह क्षय अधिक बार होगा। उन्होंने "विल्सन गुणांकों" (Wilson coefficients) पर भी बहुत सख्त प्रतिबंध लगाए हैं—जो नए भौतिक विज्ञान के सिद्धांतों के समीकरणों में गणितीय संख्याएं हैं जो यह बताती हैं कि ये प्रतिबंधित अंतःक्रियाएं कितनी मजबूती से होनी चाहिए। संक्षेप में, ब्रह्मांड अभी भी इस नियम पर अडिग है कि इलेक्ट्रॉन और म्यूऑन अपनी जर्सी नहीं बदलते हैं, और कोई भी नया भौतिक विज्ञान जो इस नियम को तोड़ने की कोशिश कर रहा है, उसे पहले की तुलना में और भी सूक्ष्म और छिपा हुआ होना चाहिए। खोज जारी है, लेकिन खोज का क्षेत्र अब बहुत, बहुत छोटा हो गया है।
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