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Search for top quark flavor-changing neutral currents in multilepton final states using an effective field theory approach in proton--proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS डिटेक्टर द्वारा $\sqrt{s}$ = 13 TeV पर प्रोटॉन-प्रोटॉन टकराव के 138 fb $^{-1}$ डेटा का उपयोग करते हुए, यह अध्ययन स्टैंडर्ड मॉडल प्रभावी क्षेत्र सिद्धांत (Standard Model effective field theory) ढांचे के भीतर टॉप क्वार्क फ्लेवर-चेंजिंग न्यूट्रल करंट्स के लिए पहला वैश्विक समवर्ती खोज प्रस्तुत करता है, जो संबंधित विल्सन गुणांकों (Wilson coefficients) और क्षय ब्रांचिंग अंशों (decay branching fractions) पर अब तक की सबसे कड़े सीमाएं स्थापित करता है, जिसमें ऐसे अंतःक्रियाओं के लिए कोई साक्ष्य नहीं देखा गया है।

मूल लेखक: CMS Collaboration

प्रकाशित 2026-08-21

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CC BY 4.0

मूल लेखक: CMS Collaboration

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उपपरमाणु भौतिकी के ब्रह्मांड में, नियमों का एक समूह है जिसे 'स्टैंडर्ड मॉडल' के रूप में जाना जाता है, जो यह वर्णन करता है कि पदार्थ के सबसे छोटे निर्माण खंड कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। दशकों से, यह मॉडल उल्लेखनीय रूप से सफल रहा है, फिर भी यह कुछ अनुत्तरित प्रश्न छोड़ देता है। सबसे निरंतर रहस्यमय पहेलियों में से एक 'टॉप क्वार्क' से संबंधित है, जो सबसे भारी ज्ञात मौलिक कण है। स्टैंडर्ड मॉडल के अनुसार, एक टॉप क्वार्क को लगभग कभी भी किसी आवेशित कण के साथ साथी बदले बिना, अप या चार्म क्वार्क जैसे हल्के क्वार्क में अपनी पहचान नहीं बदलनी चाहिए। यह प्रतिबंध इतना सख्त है कि ऐसी घटना होने की भविष्यवाणी इतनी कम बार की जाती है कि इसे देखना प्रभावी रूप से असंभव है। हालांकि, कई भौतिकविदों को संदेह है कि यह नियम नए, अज्ञात बलों या कणों द्वारा तोड़ा जा सकता है जो हमारी वर्तमान समझ से परे अस्तित्व में हैं। यदि कोई टॉप क्वार्क कभी आवेश विनिमय के बिना अपना स्वाद (फ्लेवर) बदलते हुए देखा गया, तो यह स्पष्ट संकेत होगा कि स्टैंडर्ड मॉडल अधूरा है और नई भौतिकी की खोज की प्रतीक्षा है।

स्विट्जरलैंड में 'लार्ज हैड्रोन कोलाइडर' के 'सीएमएस डिटेक्टर' के साथ काम करने वाली वैज्ञानिकों की एक टीम ने अब इन दुर्लभ घटनाओं के लिए अब तक की सबसे व्यापक खोज की है। उन्होंने प्रोटॉन-प्रोटॉन टकरावों के डेटा के एक विशाल संग्रह का विश्लेषण किया, जो 138 इन्वर्स फेमटोबार्न के कुल एक्सपोजर का प्रतिनिधित्व करता है, जो 13 टेरा-इलेक्ट्रॉन-वोल्ट के ऊर्जा स्तर पर संचालन के कई वर्षों के दौरान एकत्र किए गए डेटा की मात्रा के अनुरूप है। केवल एक विशिष्ट प्रकार की नई अंतःक्रिया की तलाश करने के बजाय, शोधकर्ताओं ने 'स्टैंडर्ड मॉडल इफेक्टिव फील्ड थ्योरी' नामक एक ढांचे का उपयोग करके एक विस्तृत जाल फैलाया। यह दृष्टिकोण उन्हें कई संभावित नई अंतःक्रियाओं का एक साथ परीक्षण करने की अनुमति देता है, जो उन्हें एक एकल नए कण के अस्तित्व को मानने के बजाय, भौतिकी के ज्ञात नियमों में छोटे समायोजन के रूप में मानता है। उन्होंने एक विशिष्ट और चुनौतीपूर्ण संकेत पर ध्यान केंद्रित किया: वे टकराव जिन्होंने तीन या अधिक आवेशित कण उत्पन्न किए जिन्हें 'लेप्टॉन' के रूप में जाना जाता है, जिनमें इलेक्ट्रॉन और म्यूऑन शामिल हैं, जो अक्सर समान विद्युत आवेश वहन करते हैं।

शोधकर्ताओं ने उन कुछ घटनाओं को खोजने के लिए अरबों टकरावों की छंटनी की जो उनके मानदंडों से मेल खाती थीं। वे एक बहुत ही विशिष्ट पैटर्न की तलाश कर रहे थे जहाँ एक टॉप क्वार्क किसी बोसोन, जैसे कि हिग्स या जेड बोसोन, के साथ अंतःक्रिया कर सकता था, या सीधे लेप्टॉन के जोड़े के साथ, जिससे यह असामान्य तरीके से क्षय (डिके) हो जाता। साधारण टकरावों की भारी पृष्ठभूमि से इन दुर्लभ संकेतों को अलग करने के लिए, टीम ने परिष्कृत कंप्यूटर एल्गोरिदम का उपयोग किया जिन्हें कणों द्वारा उत्पन्न ऊर्जा और दिशा के सूक्ष्म अंतरों को पहचानने के लिए प्रशिक्षित किया गया था। उन्होंने डेटा को 'जेट्स' (क्वार्क्स द्वारा बनाए गए कणों के स्प्रे) की संख्या और 'बी-टैग किए गए जेट्स' (वे जेट्स जिन्हें संभवतः बॉटम क्वार्क से आने वाला माना जाता है) की संख्या के आधार पर विभिन्न श्रेणियों में व्यवस्थित किया। इस सावधानीपूर्वक छंटनी ने उन्हें उन क्षेत्रों को अलग करने की अनुमति दी जहाँ एक नया संकेत सबसे अधिक दृश्यमान होता।

अपने विश्लेषण को चलाने के बाद, वैज्ञानिकों को उन 'फ्लेवर-चेंजिंग न्यूट्रल करेंट्स' का कोई प्रमाण नहीं मिला जिनकी वे तलाश कर रहे थे। डेटा पूरी तरह से स्टैंडर्ड मॉडल की भविष्यवाणियों से मेल खाता था, जिसमें कोई महत्वपूर्ण विचलन नहीं मिला जो नई भौतिकी का सुझाव दे सके। यह परिणाम महत्वपूर्ण है क्योंकि यह इस बात पर सबसे सख्त सीमाएं लगाता है कि एक टॉप क्वार्क कितनी बार इन विशिष्ट अंतःक्रियाओं के माध्यम से अपना स्वाद बदल सकता है। एक साथ चौबीस विभिन्न सैद्धांतिक मापदंडों का परीक्षण करके, टीम ने भविष्य के प्रयोगों के लिए एक नया वैश्विक बेंचमार्क स्थापित किया। हालांकि उन्हें वे नए कण नहीं मिले जिनकी वे आशा कर रहे थे, उनके कार्य ने प्रभावी रूप से उन कई संभावनाओं को खारिज कर दिया कि नई भौतिकी टॉप क्वार्क क्षेत्र में कैसे प्रकट हो सकती है। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि, अपने मापन की सटीकता के भीतर, टॉप क्वार्क बिल्कुल वैसा ही व्यवहार करता है जैसा कि स्टैंडर्ड मॉडल भविष्यवाणी करता है, जिससे उन कई सिद्धांतों के लिए द्वार बंद हो जाता है जो इसके विपरीत सुझाव देते थे।

तकनीकी सारांश: मल्टीलीप्टन फाइनल स्टेट्स में टॉप क्वार्क फ्लेवर-चेंजिंग न्यूट्रल करंट्स की खोज

समस्या और प्रेरणा
स्टैंडर्ड मॉडल (SM) में, टॉप क्वार्क से जुड़ी फ्लेवर-चेंजिंग न्यूट्रल करंट (FCNC) प्रक्रियाएं ग्लैशो–इलिओपुलिस–मैनि (Glashow–Iliopoulos–Maiani) तंत्र द्वारा अत्यधिक दमित होती हैं, जिनका अनुमानित ब्रांचिंग फ्रैक्शन $O(10^{-12})$ या उससे भी कम स्तर पर होता है। हालांकि, SM के विभिन्न विस्तार, जैसे कि R-पैरिटी उल्लंघनकारी सुपरसिमेट्री और विस्तारित हिग्स सेक्टर वाले मॉडल, उन्नत FCNC दरों की भविष्यवाणी करते हैं जो लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (LHC) पर अवलोकन योग्य हो सकती हैं। जबकि ATLAS और CMS सहयोगों द्वारा की गई पिछली खोजों ने विशिष्ट कणों (हिग्स, ग्लूऑन, फोटॉन, या Z बोसॉन) द्वारा मध्यस्थता वाले टॉप क्वार्क FCNC इंटरैक्शन की व्यक्तिगत रूप से जांच की है, ये अध्ययन आमतौर पर विभिन्न मध्यस्थों के बीच सहसंबंधों या हस्तक्षेप प्रभावों की उपेक्षा करते हैं और उन FCNCs को ध्यान में नहीं रखते हैं जो सीधे भारी बियॉन्ड-द-स्टैंडर्ड-मॉडल (BSM) अवस्थाओं से उत्पन्न होते हैं। यह विश्लेषण स्टैंडर्ड मॉडल इफेक्टिव फील्ड थ्योरी (SMEFT) के ढांचे के भीतर एक वैश्विक खोज करके इन सीमाओं को संबोधित करता है, जो सभी प्रासंगिक ऑपरेटर्स को एक साथ प्रतिबंधित करता है।

कार्यप्रणाली
यह विश्लेषण $\sqrt{s} = 13$ TeV पर CMS डिटेक्टर द्वारा एकत्रित प्रोटॉन-प्रोटॉन टक्कर डेटा का उपयोग करता है, जो 138 fb $^{-1}$ की एकीकृत ल्यूमिनोसिटी (integrated luminosity) के अनुरूप है। खोज में मल्टीलीप्टन फाइनल स्टेट्स को लक्षित किया गया है जिनमें या तो दो समान-चिह्न वाले आवेशित लीप्टोन ( $2\ell_{ss}$ ) या तीन लीप्टोन ( $3\ell$ ) शामिल हैं, जिसमें ठीक एक $b$ -टैग्ड जेट की आवश्यकता होती है।

सैद्धांतिक ढांचा (Theoretical Framework): अध्ययन SMEFT फॉर्मलिज्म का उपयोग करता है, जो SM लैग्रेंजियन को डाइमेंशन-सिक्स ऑपरेटर्स के साथ विस्तारित करता है। यह 24 विल्सन कोएफिशिएंट्स (WCs) के एक संक्षिप्त सेट पर ध्यान केंद्रित करता है जो सीधे टॉप क्वार्क क्षेत्र ($tu $और$ tc$ ट्रांजिशन) में FCNC इंटरैक्शन को मध्यस्थता प्रदान करते हैं। इनमें दो क्वार्क और एक बोसॉन (हिग्स, W, Z, फोटॉन, ग्लूऑन) वाले ऑपरेटर्स और दो क्वार्क और दो लीप्टान वाले ऑपरेटर्स शामिल हैं। मुक्त मापदंडों (free parameters) को कम करने के लिए, विश्लेषण बाएं- और दाएं-हैंडेड टॉप क्वार्क फील्ड्स के लिए समान कपलिंग स्ट्रेंथ और दो-क्वार्क-दो-लीप्टान ऑपरेटर्स में तीन आवेशित-लीप्टान फ्लेवर्स के लिए एक सामान्य WC मान लेता है।
इवेंट सिलेक्शन और वर्गीकरण (Event Selection and Categorization): घटनाओं को लीप्टान मल्टीप्लिसिटी और इनवेरिएंट मास के आधार पर वर्गीकृत किया गया है। $3\ell$ चैनल को "ऑन-Z" (जिसमें एक विपरीत-चिह्न समान-फ्लेवर लीप्टान पेयर है जिसका इनवेरिएंट मास $m_Z$ के पास है) और "ऑफ-Z" (इनवेरिएंट मास $m_Z$ से दूर) श्रेणियों में विभाजित किया गया है ताकि Z-मध्यस्थ प्रक्रियाओं और दो-क्वार्क-दो-लीप्टान ऑपरेटर्स के बीच अंतर किया जा सके। सिग्नल रीजन (SR) में ठीक एक $b$ -जेट होता है, जबकि कंट्रोल रीजन (CR) जिनमें एक से अधिक $b$ -जेट होते हैं, का उपयोग बैकग्राउंड को नियंत्रित करने के लिए किया जाता है।
सिग्नल एक्सट्रैक्शन (Signal Extraction): बूस्टेड डिसीजन ट्रीज़ (BDT) का उपयोग करके मल्टीवेरिएट डिस्क्रिमिनेन्ट्स (multivariate discriminants) का निर्माण किया जाता है। इनपुट फीचर्स में लीप्टोन, जेट और $b$ -जेट्स के काइनेटिक वेरिएबल्स, साथ ही "जिगसॉ" (jigsaw) रिकंस्ट्रक्शन एल्गोरिदम के माध्यम से प्राप्त पुनर्निर्मित टॉप क्वार्क और बोसॉन (हिग्स या Z) का काइनेटिक डेटा शामिल है। BDTs को अपरिहार्य SM बैकग्राउंड (जैसे $t\bar{t}W$ , $t\bar{t}Z$ , डाइबोसॉन) और रिड्यूसेबल बैकग्राउंड (नॉन-प्रॉम्प्ट लीप्टोन, चार्ज मिसआइडेंटिफिकेशन, फोटॉन कन्वर्जन) से FCNC सिग्नल्स को अलग करने के लिए प्रशिक्षित किया गया है।
सांख्यिकीय विश्लेषण (Statistical Analysis): सभी श्रेणियों और डेटा-टेकिंग अवधियों में एक साथ बिन्ड मैक्सिमम लाइकलीहुड फिट (simultaneous binned maximum likelihood fit) किया जाता है। अपेक्षित सिग्नल यील्ड को 24 WCs के द्विघात फलन (quadratic function) के रूप में पैरामीटराइज़ किया गया है। व्यवस्थित अनिश्चितताओं (systematic uncertainties), जिसमें प्रयोगात्मक प्रभाव (ल्यूमिनोसिटी, लीप्टोन/जेट एफिशिएंसी) और सैद्धांतिक अनिश्चितताएं (PDFs, स्केल वेरिएशंस, बैकग्राउंड क्रॉस-सेक्शन्स) शामिल हैं, को न्यूसेंस पैरामीटर्स (nuisance parameters) के रूप में माना गया है। कॉन्फिडेंस इंटरवल्स प्रोफाइल लाइकलीहुड स्कैन का उपयोग करके प्राप्त किए जाते हैं।

प्रमुख योगदान

ग्लोबल SMEFT फिट: यह कार्य SMEFT ढांचे के भीतर टॉप क्वार्क FCNCs के लिए पहली वैश्विक खोज प्रस्तुत करता है जहाँ सभी प्रासंगिक ऑपरेटर्स को एक एकल डेटा फिट में एक साथ प्रतिबंधित किया जाता है।
दो-क्वार्क-दो-लीप्टान ऑपरेटर्स का प्रत्यक्ष प्रोब: यह विश्लेषण दो-क्वार्क-दो-लीप्टान ऑपरेटर्स द्वारा मध्यस्थता वाले FCNC प्रक्रियाओं के लिए पहला प्रत्यक्ष प्रयोगात्मक प्रतिबंध प्रदान करता है, जो कि इस संदर्भ में पहले अनप्रोब्ड (unprobed) क्लास है।
एकीकृत ढांचा (Unified Framework): उत्पादन और क्षय मोड को एक साथ उपचारित करके और हस्तक्षेप एवं सहसंबंधों को ध्यान में रखकर, यह विश्लेषण LHC में भविष्य के मापन और संयोजनों के लिए एक ढांचा स्थापित करता है।

परिणाम
FCNC इंटरैक्शन का कोई प्रमाण नहीं देखा गया; डेटा SM भविष्यवाणी के अनुरूप है। विश्लेषण सभी 24 विल्सन कोएफिशिएंट्स के लिए 68% और 95% कॉन्फिडेंस इंटरवल निर्धारित करता है।

विल्सन कोएफिशिएंट्स (Wilson Coefficients): $tu $और$ tc $ट्रांजिशन से जुड़े कोएफिशिएंट्स पर सीमाएं लगाई गई हैं, जिनमें हिग्स ($ c_{t\phi} $), Z बोसॉन ($ c_{tZ}$, $c_{\phi Q}$ , $c_{\phi t}$ ), फोटॉन ( $c_{tA}$ ), ग्लूऑन ( $c_{tG}$ ), और फोर-फर्मियन ऑपरेटर्स ( $c_{t\ell}$ , $c_{te}$ , आदि) द्वारा मध्यस्थता वाले कोएफिशिएंट्स शामिल हैं।
ब्रांचिंग फ्रैक्शन्स (Branching Fractions): विल्सन कोएफिशिएंट्स पर लगी सीमाओं को टॉप क्वार्क FCNC क्षय ब्रांचिंग फ्रैक्शन्स के प्रतिबंधों में अनुवादित किया गया है। परिणाम दो-क्वार्क-दो-लीप्टान ऑपरेटर्स के माध्यम से FCNC टॉप क्वार्क क्षय ब्रांचिंग फ्रैक्शन्स पर अब तक के सबसे कड़े प्रतिबंध लगाते हैं। EFT ढांचे के भीतर $B(t \to Hq)$ और $B(t \to Zq)$ पर ऊपरी सीमाएं पूर्व परिणामों की तुलना में समान या अधिक प्रतिबंधात्मक पाई गई हैं जो एनोमलस कपलिंग्स पर आधारित थे।

महत्व
पेपर का दावा है कि ये परिणाम SMEFT में प्रासंगिक संपूर्ण टॉप क्वार्क FCNC ऑपरेटर्स के सेट पर पहले समवर्ती प्रतिबंध (simultaneous constraints) हैं। एक वैश्विक बेंचमार्क प्रदान करके, यह विश्लेषण LHC पर टॉप क्वार्क FCNC मापन के भविष्य के संयोजनों को सुगम बनाता है। इसके अलावा, यह दो-क्वार्क-दो-लीप्टान ऑपरेटर्स द्वारा मध्यस्थता वाले FCNC प्रक्रियाओं पर पहला प्रत्यक्ष प्रयोगात्मक प्रतिबंध प्रदान करता है, जो टॉप क्वार्क क्षेत्र में स्टैंडर्ड मॉडल से परे भौतिकी (physics beyond the Standard Model) की खोज के दायरे को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाता है।

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