Evidence for and observation of
BESIII डिटेक्टर द्वारा एकत्र किए गए घटनाओं के एक बड़े नमूने का उपयोग करते हुए, यह अध्ययन क्षय के साक्ष्य की रिपोर्ट करता है और क्षय का प्रथम अवलोकन प्रदान करता है, साथ ही उनके ब्रांचिंग अंशों (branching fractions) और मध्यवर्ती प्रक्रियाओं के ब्रांचिंग अंशों के महत्वपूर्ण रूप से बेहतर परिशुद्धता मापन प्रदान करता है।
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पदार्थ के हृदय की गहराइयों में, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन ठोस, अविभाज्य गोले नहीं हैं, बल्कि वे क्वार्क नामक छोटे, अधिक मौलिक कणों से बने हैं। ये क्वार्क एक शक्तिशाली बल द्वारा एक साथ बंधे होते हैं जिसे 'स्ट्रॉन्ग इंटरैक्शन' (प्रबल अन्योन्यक्रिया) कहा जाता है, जो एक अदृश्य गोंद की तरह परमाणु नाभिक को थामे रखता है। भौतिक विज्ञानी इस बल का अध्ययन 'चार्मोनिया' (charmonia) नामक अल्पजीवी, भारी कणों को बनाकर करते हैं, जो एक चार्म क्वार्क और उसके प्रति-द्रव्य (antimatter) जुड़वां, एक एंटी-चार्म क्वार्क से बने होते हैं। ये कण छोटे, क्षणिक प्रयोगशालाओं की तरह हैं जहाँ वैज्ञानिक क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स के नियमों का परीक्षण कर सकते हैं, जो उस सिद्धांत का वर्णन करता है कि स्ट्रॉन्ग फोर्स कैसे कार्य करता है। जबकि इनमें से कुछ कण अच्छी तरह से समझे गए हैं, अन्य रहस्यमय बने हुए हैं, विशेष रूप से वे जो "स्पिन-सिंगलेट" (spin-singlet) नामक अवस्था में होते हैं, जहाँ क्वार्कों के आंतरिक स्पिन एक-दूसरे को रद्द कर देते हैं। इन विशिष्ट कणों के अन्य पदार्थों में टूटने (decay) के तरीके को समझना यह जांचने के लिए महत्वपूर्ण है कि क्या हमारे ब्रह्मांड के वर्तमान सिद्धांत पूर्ण हैं या क्या वहां कुछ छिपे हुए नियम हैं जिन्हें हमने अभी तक खोजा नहीं है।
बीजिंग में BEPCII कोलाइडर के BESIII डिटेक्टर का उपयोग करने वाली शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में इनमें से एक रहस्यमय क्षय (decay) में झाँका है। उन्होंने नामक एक विशिष्ट कण के दो अरब से अधिक घटनाओं के विशाल डेटा संग्रह का विश्लेषण किया, जो कि एक प्रकार का चार्मोनिया है। जब यह कण क्षय होता है, तो यह अक्सर प्रकाश की एक चमक, या फोटॉन, उत्सर्जित करता है और एक हल्के चार्मोनिया कण में परिवर्तित हो जाता है। वैज्ञानिक एक विशिष्ट परिणाम की तलाश में थे: का एक फोटॉन और नामक एक कण में रूपांतरण, जो फिर तुरंत एक प्रोटॉन, एक एंटी-प्रोटॉन और तीन पायोन (दो आवेशित और एक तटस्थ) में टूट जाता है। यह अंतिम समूह जटिल है, और इस समूह के भीतर छिपे को खोजना एक घने, अराजक बगीचे में एक विशिष्ट, दुर्लभ फूल को देखने जैसा है।
डेटा को कठोर सांख्यिकीय विधियों के साथ छानने के बाद, टीम ने पाया कि यह दुर्लभ क्षय वास्तव में होता है। उन्होंने के एक प्रोटॉन, एक एंटी-प्रोटॉन और तीन पायोन में टूटने के संकेत को उस निश्चितता के स्तर के साथ देखा जिसे वैज्ञानिक 3.3 सिग्मा कहते हैं। कण भौतिकी की दुनिया में, यह एक मजबूत संकेत है कि घटना वास्तविक है, हालांकि यह निर्णायक खोज का दावा करने के लिए आवश्यक उच्चतम प्रमाण के मानक से थोड़ा कम है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि इस विशिष्ट श्रृंखला की घटनाओं के होने की संभावना लगभग एक अरब में 3.4 है। यह माप सीधे तौर पर यह देखता है कि इन विशिष्ट कणों में कैसे टूटता है, जो इन मायावी स्पिन-सिंगलेट अवस्थाओं के व्यवहार को समझने के लिए पहेली का एक नया टुकड़ा प्रदान करता है।
इसी अध्ययन में, टीम ने परिवार के रूप में जाने जाने वाले तीन संबंधित कणों के क्षय की भी जांच की। के विपरीत, इन कणों को पहले देखा जा चुका था, लेकिन शोधकर्ता उसी समूह के कणों में इनके क्षय की दर को पहले की तुलना में बहुत अधिक सटीकता के साथ माप सके। उन्होंने पाया कि कण प्रत्येक एक हजार क्षय में से लगभग 4.79 बार एक प्रोटॉन, एक एंटी-प्रोटॉन और तीन पायोन में क्षय होता है। प्रत्येक एक हजार क्षय में लगभग 2.13 बार और लगभग 3.72 बार होता है। ये संख्याएँ पिछले अनुमानों की तुलना में काफी अधिक सटीक हैं, जो त्रुटि की गुंजाइश को लगभग 30 से 50 प्रतिशत तक कम करती हैं। यह बेहतर सटीकता भौतिकविज्ञानी के उन मॉडलों को परिष्कृत करने में मदद करती है कि ये कण कैसे परस्पर क्रिया करते हैं और क्षय होते हैं।
इसके अलावा, टीम ने इन क्षयों में एक मध्यवर्ती चरण की भी जांच की, जहाँ कण क्षण भर के लिए ओमेगा मेसॉन (omega meson) नामक एक अल्पजीवी कण बनाते हैं और फिर आगे टूट जाते हैं। उन्होंने कणों के एक प्रोटॉन, एक एंटी-प्रोटॉन और इस ओमेगा मेसॉन में टूटने की दर को मापा। परिणामों ने दिखाया कि प्रत्येक दस हजार क्षय में से 5.76 बार इस संयोजन को उत्पन्न करता है, लगभग 1.85 बार, और लगभग 4.51 बार। ये माप पहले से ज्ञात जानकारी के बहुत करीब हैं लेकिन अनिश्चितता की बहुत कम सीमा के साथ। इन दरों की पुष्टि करके और क्षय के पहले साक्ष्य को खोजकर, यह अध्ययन इस बात को समृद्ध करता है कि चार्मोनिया कण उस ऊर्जा दहलीज के नीचे कैसे व्यवहार करते हैं जहाँ वे ओपन चार्म कणों में टूट सकते हैं। यह कार्य उन सैद्धांतिक भविष्यवाणियों का परीक्षण करने में मदद करता है जो स्ट्रॉन्ग फोर्स को नियंत्रित करती हैं और वैज्ञानिकों को उप-परमाणु दुनिया की एक सुसंगत समझ के एक कदम करीब लाता है।
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