⚛️ high-energy experiments

Search for high-mass resonances in photon-jet final states using 140 fb $^{-1}$ of $pp$ collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector

13 TeV प्रोटॉन-प्रोटॉन टक्कर डेटा के 140 fb $^{-1}$ का उपयोग करते हुए, ATLAS प्रयोग ने फोटॉन-जेट अंतिम अवस्थाओं (photon-jet final states) में उच्च-द्रव्यमान अनुनादों (high-mass resonances) के लिए एक खोज की, जिसमें मानक मॉडल से कोई महत्वपूर्ण विचलन नहीं पाया गया और उत्तेजित क्वार्क (excited quark) द्रव्यमानों के लिए 6.0 TeV तक और क्वांटम ब्लैक होल थ्रेशोल्ड के लिए 7.5 TeV तक कड़े अपवर्जन सीमाएं (exclusion limits) निर्धारित की गईं।

मूल लेखक: ATLAS Collaboration

प्रकाशित 2026-08-28

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CC BY 4.0

मूल लेखक: ATLAS Collaboration

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ब्रह्मांड मौलिक नियमों के एक समूह से बना है जिन्हें भौतिकविदों ने दशकों तक समझने और मानचित्रित करने का प्रयास किया है। यह मानचित्र, जिसे 'स्टैंडर्ड मॉडल' के रूप में जाना जाता है, सफलतापूर्वक उन सूक्ष्म कणों का वर्णन करता है जिनसे सब कुछ बना है और वे कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। हालाँकि, यह मानचित्र अधूरा है। यह इस बारे में गहरे प्रश्न छोड़ देता है कि कणों का द्रव्यमान एक निश्चित मात्रा में क्यों है, पदार्थ के ठीक तीन परिवार ही क्यों हैं, और गुरुत्वाकर्षण इस चित्र में कैसे फिट होता है। इन कमियों को भरने के लिए, वैज्ञानिक नए विचार प्रस्तावित करते हैं, यह सुझाव देते हुए कि जो कण हम जानते हैं वे वास्तव में छोटे, अधिक मौलिक टुकड़ों से बने हो सकते हैं, या अंतरिक्ष के छिपे हुए आयाम हमारी धारणा से परे अस्तित्व में हो सकते हैं। ये सिद्धांत भारी, अल्पकालिक कणों के अस्तित्व की भविष्यवाणी करते हैं जो तब दिखाई देने चाहिए जब प्रोटॉन को पर्याप्त ऊर्जा के साथ आपस में टकराया जाए। उन्हें खोजना वास्तविकता के बारे में हमारी समझ को फिर से लिख देगा, जबकि उन्हें खोजने में विफल होना वैज्ञानिकों को यह संकुचित करने में मदद करता है कि प्रकृति के वास्तविक नियम कहाँ छिपे हो सकते हैं।

लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (Large Hadron Collider) में, जो फ्रांस और स्विट्जरलैंड की सीमा के नीचे दबी एक विशाल रिंग है, प्रोटॉन को लगभग प्रकाश की गति तक त्वरित किया जाता है और टकराया जाता है। ATLAS प्रयोग, जो टकराव के बिंदुओं के चारों ओर स्थित विशाल डिटेक्टरों में से एक है, इन टक्करों से निकलने वाले मलबे को कैप्चर करने वाले एक हाई-स्पीड कैमरे के रूप में कार्य करता है। हाल ही के एक विश्लेषण में, ATLAS टीम ने 140 fb⁻¹ के एकीकृत ल्युमिनोसिटी (integrated luminosity) से संबंधित डेटा के एक विशाल संग्रह को छाना, जिसमें एक बहुत ही विशिष्ट संकेत की तलाश की गई: एक उच्च-ऊर्जा फोटॉन (प्रकाश का एक कण), जो कणों की एक जेट के साथ बाहर निकल रहा हो। यह संयोजन एक स्पष्ट संकेत है जो एक नए, भारी कण के क्षय (decay) को प्रकट कर सकता है। शोधकर्ता दो मुख्य प्रकार के काल्पनिक पिंडों की तलाश कर रहे थे: उत्तेजित क्वार्क (excited quarks), जो पदार्थ के निर्माण खंडों के भारी संस्करण होंगे, और क्वांटम ब्लैक होल, जो ढहे हुए तारों से बनने वाले ब्रह्मांडीय दिग्गजों के सूक्ष्म संस्करण हैं।

टीम ने प्रत्येक रिकॉर्ड किए गए इवेंट में फोटॉन और जेट युग्मों के द्रव्यमान की जांच की। यदि कोई नया भारी कण मौजूद होता, तो वह ज्ञात भौतिकी के सुचारू, अनुमानित बैकग्राउंड से ऊपर उठकर, एक विशिष्ट द्रव्यमान मान पर डेटा में अचानक उछाल, या एक "बम्प" (bump) के रूप में दिखाई देता। शोधकर्ताओं ने ऊर्जा की एक विस्तृत श्रृंखला में सावधानीपूर्वक देखा, जिसमें उनके द्वारा विश्वसनीय रूप से मापे जा सकने वाले सबसे कम द्रव्यमान से लेकर मशीन द्वारा उत्पन्न उच्चतम ऊर्जाओं तक शामिल है। उन्होंने हल्के क्वार्क के संकेतों की जांच करने के साथ-साथ, भारी और कम सामान्य किस्मों जैसे कि चार्म (charm) या बॉटम (bottom) क्वार्क वाले कणों के आधार पर खोज को विभिन्न श्रेणियों में विभाजित किया। उन्होंने उन विशिष्ट पैटर्नों को भी देखा जो अपेक्षित थे यदि सूक्ष्म ब्लैक होल तुरंत बन रहे हों और वाष्पित हो रहे हों।

परिणाम क्या नहीं है, इसकी एक स्पष्ट तस्वीर सामने आई। डेटा ने कोई महत्वपूर्ण उछाल या अप्रत्याशित अधिकता नहीं दिखाई। घटनाओं का वितरण स्टैंडर्ड मॉडल के भविष्यवाणियों के साथ पूरी तरह मेल खाता है, जिसमें ज्ञात भारी कणों का कोई प्रमाण नहीं मिला। चूंकि कोई सिग्नल नहीं मिला, इसलिए टीम अपने अस्तित्व पर कड़े प्रतिबंध लगाने में सक्षम थी। उन्होंने निर्धारित किया कि यदि उत्तेजित क्वार्क मौजूद हैं, तो वे हल्के संस्करणों के लिए 6.0 TeV, चार्म संस्करणों के लिए 3.5 TeV और बॉटम संस्करणों के लिए 2.6 TeV से भारी होने चाहिए। इसी तरह, उन्होंने एक सैद्धांतिक मॉडल में 5.3 TeV और दूसरे में 7.5 TeV के द्रव्यमान थ्रेशोल्ड के नीचे क्वांटम ब्लैक होल के अस्तित्व को खारिज कर दिया। ये सीमाएं इस प्रकार के टकराव के लिए इन विशिष्ट परिदृश्यों हेतु अब तक के सबसे सख्त प्रतिबंध हैं।

यह कार्य लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर के दूसरे रन के दौरान एकत्र किए गए डेटा के पूर्ण सेट का उपयोग करते हुए, नई भौतिकी की खोज में एक महत्वपूर्ण कदम है। डेटा के एक बड़े वॉल्यूम को कणों की पहचान करने और बैकग्राउंड शोर को फ़िल्टर करने की परिष्कृत तकनीकों के साथ जोड़कर, ATLAS सहयोग ने हमारे ज्ञान की सीमाओं को आगे बढ़ाया है। हालांकि इस खोज ने उन नए कणों को उजागर नहीं किया जिनकी कुछ सिद्धांतों ने भविष्यवाणी की थी, लेकिन सिग्नल की अनुपस्थिति एक शक्तिशाली वैज्ञानिक परिणाम है। यह सिद्धांतकारों को बताता है कि यदि ये कण मौजूद हैं, तो वे वर्तमान ऊर्जा स्तरों पर उत्पन्न होने के लिए बहुत भारी हैं, जिससे वैज्ञानिक समुदाय को अपने मॉडलों को परिष्कृत करने और कहीं और देखने के लिए मजबूर होना पड़ता है। खोज जारी है, लेकिन फिलहाल के लिए, ब्रह्मांड ज्ञात नियमों के अनुरूप बना हुआ है, और वास्तविकता की अगली परत की खोज उच्च ऊर्जाओं और नए मोर्चों की ओर बढ़ रही है।

तकनीकी सारांश: ATLAS के साथ फोटॉन-जेट अंतिम अवस्थाओं में उच्च-द्रव्यमान अनुनाद की खोज

समस्या और प्रेरणा
यह शोध पत्र LHC रन 2 के दौरान ATLAS डिटेक्टर द्वारा एकत्र किए गए डेटा का उपयोग करते हुए, $\sqrt{s} = 13$ TeV के द्रव्यमान केंद्र ऊर्जा पर प्रोटॉन-प्रोटॉन ($pp $) टकरावों में नई उच्च-द्रव्यमान घटनाओं की खोज प्रस्तुत करता है। यह विश्लेषण उच्च-ट्रांसवर्स-मोमेंटम फोटॉन और एक जेट ($ \gamma$–jet) से बनी अंतिम अवस्थाओं को लक्षित करता है। ऐसी सिग्नेचर विभिन्न 'बियॉन्ड द स्टैंडर्ड मॉडल' (BSM) परिदृश्यों द्वारा अनुमानित हैं, जिनमें क्वार्क कंपोजिटनेस मॉडल शामिल हैं जो उत्तेजित क्वार्क अवस्थाओं ( $q^*$ ) को पेश करते हैं, और अतिरिक्त स्थानिक आयामों (रैंडल-संडर्स और अर्कानी-हामेड-डिमोपोलस-ड्वली मॉडल) से संबंधित सिद्धांत शामिल हैं जो सूक्ष्म क्वांटम ब्लैक होल्स (QBHs) के उत्पादन की भविष्यवाणी करते हैं। इस अध्ययन का उद्देश्य $\gamma$ –jet इनवेरिएंट मास ( $m_{\gamma j}$ ) स्पेक्ट्रम में स्थानीयकृत अधिकता (localized excesses) की पहचान करना है जो इन नए कणों के अनुनादी उत्पादन को इंगित करेंगे, जिससे फर्मियन परिवार संरचना और पदानुक्रम समस्या (hierarchy problem) जैसे अनसुलझे SM मुद्दों को संबोधित किया जा सके।

कार्यप्रणाली
यह विश्लेषण 140 fb $^{-1}$ की एकीकृत ल्यूमिनोसिटी (integrated luminosity) के अनुरूप एक डेटासेट पर आधारित है। इवेंट चयन के लिए एक उच्च- $p_T$ फोटॉन ( $p_T > 150$ GeV) और एक जेट ( $p_T > 150$ GeV) की आवश्यकता होती है जो केंद्रीय डिटेक्टर क्षेत्र ( $|\eta| < 1.37$ ) के भीतर हो, साथ ही इनका इनवेरिएंट मास $m_{\gamma j} > 500$ GeV होना चाहिए। ब्रेम्सस्ट्रालुंग (bremsstrahlung) और $t$ -चैनल उत्पादन से बैकग्राउंड को कम करने के लिए, किनेमैटिक बाधाएं लागू की जाती हैं, जिसमें फोटॉन और जेट के बीच मोमेंटम संतुलन पर एक आवश्यकता और उनके स्यूडो-रैपिडिटी अंतर ( $|\Delta\eta| < 1.6$ ) पर प्रतिबंध शामिल है।

इस विश्लेषण में एक प्रमुख पद्धतिगत प्रगति GN2 टैगर का उपयोग है, जो एक ट्रांसफार्मर-आधारित एल्गोरिदम है, जो लाइट-फ्लेवर, $c$ -, और $b$ -जेट्स के बीच अंतर करता है। यह तीन विशिष्ट सिग्नल क्षेत्रों (signal regions) को परिभाषित करने की अनुमति देता है:

SR (इन्क्लूसिव): इसमें सभी चयनित इवेंट शामिल हैं।
SRB: इसमें मुख्य जेट को $b$ -जेट के रूप में टैग किया जाना आवश्यक है।
SRC: इसमें मुख्य जेट को $c$ -जेट के रूप में टैग किया जाना आवश्यक है।
SRL: इसमें वे इवेंट शामिल हैं जहाँ जेट $b$ - और $c$ -टैगिंग आवश्यकताओं दोनों में विफल रहता है।

उत्तेजित क्वार्क और QBHs के लिए सिग्नल मॉडलिंग, फास्ट डिटेक्टर सिमुलेशन (AtlFast3) या पूर्ण Geant4 सिमुलेशन (नमूने के आधार पर) के साथ प्रोसेस किए गए मोंटे कार्लो सिमुलेशन का उपयोग करके की जाती है। बैकग्राउंड मॉडलिंग डेटा के कार्यात्मक फिट (functional fit) पर निर्भर करती है, जिसमें स्मूथली फॉलिंग फंक्शन्स (जैसे, $f_b(x) = n_{bkg}(1-x)^{p_0}x^{-\sum p_i(\ln x)^{i-1}}$ ) का उपयोग किया जाता है। व्यवस्थित अनिश्चितताओं (systematic uncertainties), जिसमें ल्यूमिनोसिटी, ऑब्जेक्ट रिकंस्ट्रक्शन, पाइल-अप और बैकग्राउंड मॉडलिंग (जिसे "स्प्यूरियस सिग्नल" परीक्षणों के माध्यम से मात्रा निर्धारित किया गया है) से जुड़ी अनिश्चितताएं शामिल हैं, को एक बिन्ड लाइक्लीहुड फिट (binned likelihood fit) में शामिल किया जाता है। सांख्यिकीय विश्लेषण बहिष्करण सीमाएं (exclusion limits) निर्धारित करने के लिए $CL_s$ पद्धति और स्थानीयकृत अधिकता की स्कैनिंग के लिए BumpHunter एल्गोरिदम का उपयोग करता है।

प्रमुख योगदान

$c^*$ पर प्रथम प्रत्यक्ष प्रतिबंध: यह कार्य LHC में $\gamma$ –jet अंतिम अवस्था में उत्तेजित चार्म क्वार्क्स ( $c^*$ ) के उत्पादन पर पहले प्रत्यक्ष प्रतिबंध प्रदान करता है। SRL, SRB और SRC क्षेत्रों में एक साथ फिट (simultaneous fit) करके, यह विश्लेषण $c^*$ सिग्नल के प्रति संवेदनशीलता में सुधार करता है, क्योंकि ये कई फ्लेवर-टैग्ड श्रेणियों में वितरित होते हैं।
हेवी-फ्लेवर उत्तेजित क्वार्क्स: यह अध्ययन लाइट-फ्लेवर अवस्थाओं ( $q^*_L$ ) के अलावा हेवी-फ्लेवर अवस्थाओं ( $b^*$ और $c^*$ ) को शामिल करने के लिए उत्तेजित क्वार्क्स की खोज का विस्तार करता है, जो कपलिंग स्ट्रेंथ $f$ पर क्रॉस-सेक्शन की निर्भरता का अन्वेषण करता है।
मॉडल-स्वतंत्र सीमाएं: विशिष्ट बेंचमार्क मॉडलों के अलावा, यह विश्लेषण जेनेरिक गॉसियन-आकार के रेजोनेंस के लिए दृश्य क्रॉस-सेक्शन (visible cross-section) पर सीमाएं निर्धारित करता है जिनकी चौड़ाई द्रव्यमान के 2% से 15% तक होती है, जिससे अन्य सैद्धांतिक ढांचों में पुनर्व्याख्या (reinterpretation) सुलभ हो सके।
बेहतर बैकग्राउंड मॉडलिंग: यह विश्लेषण पिछले ATLAS खोजों (36.7 fb $^{-1}$ ) की तुलना में एक बेहतर बैकग्राउंड मॉडलिंग तकनीक और एक बड़े डेटासेट (140 fb $^{-1}$ ) का उपयोग करता है, जो उच्च-द्रव्यमान अनुनादों के प्रति संवेदनशीलता को बढ़ाता है।

परिणाम
किसी भी सिग्नल क्षेत्र में $m_{\gamma j}$ स्पेक्ट्रम में स्टैंडर्ड मॉडल के अनुमान से कोई महत्वपूर्ण विचलन नहीं देखा गया। डेटा को बैकग्राउंड-ओनली हाइपोथीसिस द्वारा अच्छी तरह से वर्णित किया गया है, जिसमें क्षेत्र के आधार पर $p$ -वैल्यू 0.11 से 0.62 के बीच है। BumpHunter एल्गोरिदम ने कोई सांख्यिकीय रूप से महत्वपूर्ण स्थानीयकृत अधिकता नहीं खोजी।

परिणामस्वरूप, विभिन्न न्यू फिजिक्स परिदृश्यों के लिए 95% कॉन्फिडेंस लेवल (CL) पर उत्पादन क्रॉस-सेक्शन पर कड़े ऊपरी सीमाएं (upper limits) निर्धारित की गईं:

उत्तेजित क्वार्क्स ( $f=1$ ): लाइट-फ्लेवर $q^*_L$ ( $u^*/d^*$ ) के लिए 6.0 TeV तक के द्रव्यमान, $c^*$ के लिए 3.5 TeV और $b^*$ के लिए 2.6 TeV तक के द्रव्यमान को बहिष्कृत (exclude) किया गया है।
क्वांटम ब्लैक होल्स: रैंडल-संडर्स (RS1, $n=1$ ) मॉडल के लिए 5.3 TeV और ADD मॉडल ( $n=6$ ) के लिए 7.5 TeV तक के द्रव्यमान थ्रेशोल्ड को बहिष्कृत किया गया है।
जेनेरिक रेजोनेंस: अन्वेषित द्रव्यमान और चौड़ाई रेंज में गॉसियन रेजोनेंस के लिए दृश्य क्रॉस-सेक्शन पर सीमाएं स्थापित की गईं।

महत्व
लेखक का कहना है कि ये परिणाम $\gamma$ –jet अंतिम अवस्था में अब तक के सबसे कड़े प्रतिबंध हैं। $c^*$ उत्पादन का बहिष्करण इस क्षेत्र में एक नवीन योगदान है, क्योंकि पिछले किसी भी LHC परिणाम ने इस चैनल में इन प्रक्रियाओं को सीधे प्रतिबंधित नहीं किया था। यह विश्लेषण पूर्ण रन 2 डेटासेट का उपयोग करके उच्च-द्रव्यमान स्केल को प्रोब करने की ATLAS डिटेक्टर की क्षमता को प्रदर्शित करता है, जो पदानुक्रम समस्या और फर्मियन कंपोजिटनेस को संबोधित करने वाले सैद्धांतिक ढांचों को प्रतिबंधित करने के लिए उन्नत फ्लेवर-टैगिंग तकनीकों और परिष्कृत सांख्यिकीय विधियों का लाभ उठाता है।

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