Constraint on the Higgs boson width in the diphoton final state using signal-background interference in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

कण भौतिकी के मानक मॉडल (Standard Model) में, ब्रह्मांड का निर्माण कणों के एक छोटे से समूह और उन बलों से हुआ है जो उनके बीच होने वाली अंतःक्रियाओं को नियंत्रित करते हैं। इनमें से, हिग्स बोसान (Higgs boson) एक विशिष्ट स्थान रखता है। 2012 में खोजा गया यह कण एक अदृश्य क्षेत्र का भौतिक प्रकटीकरण है जो पूरे अंतरिक्ष में व्याप्त है, जो अन्य कणों को द्रव्यमान प्रदान करता है। जबकि वैज्ञानिकों ने पुष्टि की है कि हिग्स बोसान अस्तित्व में है और इसका द्रव्यमान लगभग 125 गीगा-इलेक्ट्रॉन-वोल्ट (GeV) मापा गया है, इसके स्वरूप की पूर्ण तस्वीर अभी भी मायावी बनी हुई है। इसकी सबसे महत्वपूर्ण लुप्त कड़ियों में से एक कण की कुल 'क्षय चौड़ाई' (decay width) है। भौतिकी की भाषा में, यह चौड़ाई दर्शाती है कि एक कण कितनी तेज़ी से ऊर्जा के अन्य रूपों में क्षय होता है। हिग्स बोसान के लिए, मानक मॉडल भविष्यवाणी करता है कि यह चौड़ाई अविश्वसनीय रूप से संकीर्ण होगी, लगभग चार दस लाखवें गीगा-इलेक्ट्रॉन-वोल्ट। यदि वास्तविक चौड़ाई इस भविष्यवाणी से भिन्न होती है, तो यह हमारे वर्तमान ज्ञान से परे नए, अनदेखे कणों या बलों की उपस्थिति का संकेत देगी, जो हिग्स के साथ अंतःक्रिया कर रहे हैं।

चुनौती इस तथ्य में निहित है कि यह अनुमानित चौड़ाई इतनी छोटी है कि इसे किसी भी मौजूदा डिटेक्टर द्वारा सीधे मापना बहुत कठिन है। इन कणों को देखने के लिए उपयोग किए जाने वाले उपकरणों का रिज़ॉल्यूशन (resolution) स्वयं इस चौड़ाई की तुलना में हजारों गुना अधिक मोटा (coarse) है। फलस्वरूप, वैज्ञानिकों को इस मान को सीमित करने के लिए अप्रत्यक्ष तरीकों पर निर्भर रहना पड़ा है, जो अक्सर इस बात पर ध्यान केंद्रित करते हैं कि जब हिग्स को उच्च-ऊर्जा टकरावों में उत्पन्न किया जाता है, तो वह अपने सटीक द्रव्यमान पर नहीं बल्कि उसके आसपास कैसे व्यवहार करता है। हालाँकि, सीर्न (CERN) के सीएमएस (CMS) सहयोग से एक नया दृष्टिकोण उभरा है। प्रोटॉन-प्रोटॉन टकरावों से प्राप्त डेटा का व्यापक विश्लेषण करके, शोधकर्ताओं ने हिग्स बोसान की चौड़ाई को मापने का एक तरीका खोजा है, जो इसके आकार को सीधे मापने के बजाय इसके द्वारा उत्पन्न सूक्ष्म हस्तक्षेप पैटर्न (interference patterns) को सुनकर।

यह अध्ययन एक विशिष्ट परिदृश्य पर केंद्रित है जहाँ दो प्रोटॉन लगभग प्रकाश की गति से टकराते हैं, जिससे एक हिग्स बोसान बनता है जो तुरंत दो फोटॉन, या प्रकाश के कणों में क्षय हो जाता है। यह प्रक्रिया दुर्लभ है, लेकिन ऐसे टकराव में दो फोटॉन उत्पन्न करने का यह एकमात्र तरीका नहीं है। बैकग्राउंड प्रक्रियाएं (Background processes) बिना हिग्स बोसान बनाए भी फोटॉन के जोड़े उत्पन्न कर सकती हैं। क्वांटम दुनिया में, ये दो मार्ग—एक जिसमें हिग्स शामिल है और दूसरा जिसमें वह नहीं है—एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप कर सकते हैं, ठीक वैसे ही जैसे तालाब में ओवरलैपिंग लहरें। जब हिग्स बोसान उत्पन्न होता है, तो उसकी क्वांटम तरंग फोटॉन की बैकग्राउंड तरंग के साथ अंतःक्रिया करती है, जिससे फोटॉन जोड़ों के ऊर्जा वितरण में एक विशिष्ट विरूपण (distortion) पैदा होता है। यह विरूपण कोई साधारण उभार नहीं है; यह ऊर्जा स्पेक्ट्रम के आकार में एक सूक्ष्म बदलाव है जो सीधे इस बात पर निर्भर करता है कि हिग्स बोसान कितनी तेज़ी से क्षय होता है।

इस प्रभाव को पकड़ने के लिए, सीएमएस टीम ने 2016 और 2018 के बीच एकत्र किए गए डेटा का विश्लेषण किया, जो टकरावों के 138 इन्वर्स फेम्टोबार्न (inverse femtobarns) के विशाल डेटासेट के अनुरूप है। उन्होंने अरबों घटनाओं को छानकर दो फोटॉन के एक साथ दिखने के विशिष्ट संकेतों को खोजा। शोधकर्ताओं ने इन घटनाओं को फोटॉन की ऊर्जा और टकराव में मौजूद अन्य कणों के आधार पर वर्गीकृत किया, जिससे एक विस्तृत मानचित्र तैयार हुआ कि विभिन्न ऊर्जा स्तरों पर फोटॉन जोड़े कितनी बार दिखाई देते हैं। हस्तक्षेप के प्रभावों को शामिल करने वाले जटिल कंप्यूटर सिमुलेशन के विरुद्ध देखे गए डेटा की तुलना करके, वे यह निर्धारित कर सके कि हिग्स बोसान की चौड़ाई ने डेटा के आकार में कितना योगदान दिया। यदि चौड़ाई मानक मॉडल की भविष्यवाणी से अधिक होती, तो हस्तक्षेप पैटर्न अधिक स्पष्ट होता, जिससे अपेक्षित द्रव्यमान के ठीक ऊपर और नीचे देखे गए फोटॉन जोड़ों की संख्या बदल जाती।

विश्लेषण से पता चला कि देखा गया डेटा मानक मॉडल की भविष्यवाणी के अनुरूप है, लेकिन इसने यह भी निर्धारित किया कि चौड़ाई कितनी बड़ी हो सकती है, इसकी एक सख्त ऊपरी सीमा (upper limit) तय की। शोधकर्ताओं ने पाया कि 95 प्रतिशत विश्वास स्तर (confidence level) पर हिग्स बोसान की कुल क्षय चौड़ाई 92 दस लाखवें गीगा-इलेक्ट्रॉन-वोल्ट से कम है। इसका अर्थ यह है कि यदि चौड़ाई इससे अधिक होती, तो हस्तक्षेप पैटर्न डेटा में दिखाई देता और वैज्ञानिक फोटॉन ऊर्जाओं का एक अलग वितरण देखते। जबकि यह परिणाम एक सटीक माप के बजाय एक ऊपरी सीमा है, यह हिग्स बोसान के वास्तविक द्रव्यमान पर उत्पादन के दौरान प्राप्त अब तक की सबसे सख्त सीमा है। टीम ने अपने सांख्यिकीय मॉडलों के आधार पर जो उम्मीद की थी, उसकी भी गणना की, जिसमें 138 दस लाखवें गीगा-इलेक्ट्रॉन-वोल्ट की सीमा का अनुमान लगाया गया था, जो यह दर्शाता है कि वास्तविक डेटा उनकी अपेक्षा से भी अधिक सटीक था।

यह निष्कर्ष महत्वपूर्ण है क्योंकि यह संभावित 'नई भौतिकी' (new physics) की गुंजाइश को कम करता है। पिछले अप्रत्यक्ष मापों ने बहुत व्यापक संभावनाओं की अनुमति दी थी, लेकिन इस नए प्रतिबंध ने सीमाओं को काफी कस दिया है। शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि हिग्स बोसान काफी हद तक वैसा ही व्यवहार करता है जैसा मानक मॉडल भविष्यवाणी करता है, और इसमें छिपे हुए क्षय मोड या अप्रत्याशित अंतःक्रियाओं का कोई प्रमाण नहीं मिला जो इसकी चौड़ाई को बढ़ा देते। अध्ययन ने हिग्स द्रव्यमान के शिखर (peak) की स्थिति में हस्तक्षेप के कारण होने वाले मामूली बदलाव पर आधारित एक वैकल्पिक पद्धति का भी अन्वेषण किया, लेकिन इस दृष्टिकोण ने बहुत कमजोर सीमा प्रदान की, जिससे प्राथमिक 'इंटरफेरेंस शेप विश्लेषण' के महत्व की पुष्टि हुई। हिग्स के अदृश्य चैनलों में क्षय होने या अपने द्रव्यमान से दूर की ऊर्जाओं पर उत्पन्न होने पर निर्भर किए बिना, हिगिक्स बोसान का अध्ययन करने के लिए एक शक्तिशाली नया उपकरण प्रदर्शित करके, सीएमएस सहयोग ने सफलतापूर्वक हस्तक्षेप सिग्नल को बैकग्राउंड शोर से अलग किया है।

यह कार्य सटीकता और सांख्यिकीय शक्ति की एक विजय है। इसके लिए जटिल क्वांटम यांत्रिक प्रभावों के सावधानीपूर्वक मॉडलिंग और बैकग्राउंड घटनाओं के विशाल समुद्र से एक सूक्ष्म सिग्नल को अलग करने की क्षमता की आवश्यकता थी। शोधकर्ताओं ने अपने डिटेक्टरों के अंशांकन (calibration) से लेकर कणों के अंतःक्रिया करने के सैद्धांतिक गणनाओं तक, अनगिनत अनिश्चितताओं के स्रोतों को ध्यान में रखा। उन्होंने यह सत्यापित किया कि उनके परिणाम इन विविधताओं के विरुद्ध सुदृढ़ थे, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि उनके द्वारा निर्धारित सीमा विश्वसनीय है। हालांकि यह अध्ययन नए कणों की खोज नहीं करता है, यह प्रभावी रूप से उन कई सैद्धांतिक परिदृश्यों को खारिज करता है जहाँ हिग्स बोसान अपेक्षित से काफी व्यापक हो सकता था। यह स्पष्टता भविष्य के अनुसंधान को मार्गदर्शन देती है, शोधकर्ताओं को बताती है कि यदि नई भौतिकी मौजूद है, तो उसे इतना सूक्ष्म होना चाहिए कि वह इस विशेष पहचान पद्धति से बच सके।

अंततः, यह शोध पत्र हिग्स बोसान की प्रकृति की एक स्पष्ट तस्वीर प्रदान करता है। यह पुष्टि करता है कि कण की क्षय दर मानक मॉडल के अनुरूप है, जो किसी भी संभावित विचलन पर एक सख्त कैप लगाती है। प्रत्यक्ष अवलोकन के बजाय हस्तक्षेप के माध्यम से चौड़ाई को मापने की क्षमता, ब्रह्मांड के मौलिक गुणों की खोज के लिए एक नया मार्ग खोलती है। जैसे-जैसे लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (LHC) अपना संचालन जारी रखेगा और अधिक डेटा एकत्र करेगा, ये तकनीकें और भी सटीक होती जाएंगी, जो संभावित रूप से उस सूक्ष्म संकेत को प्रकट कर सकती हैं जो हमारी वर्तमान समझ से परे है। फिलहाल, हिग्स बोसान मानक मॉडल के एक अडिग स्तंभ के रूप में बना हुआ है, जिसकी चौड़ाई 92 दस लाखवें गीगा-इलेक्ट्रॉन-वोल्ट से अधिक नहीं है, जो आधुनिक प्रयोगात्मक भौतिकी की सटीकता का प्रमाण है।