Stringent limits on - and Lorentz-invariance violation from ~meson decays
LHCb डिटेक्टर के 13 TeV प्रोटॉन-प्रोटॉन टक्कर डेटा का उपयोग करते हुए, यह अध्ययन मेसॉन प्रणाली में CPT और लोरेन्ट्ज़ इनवेरियंस उल्लंघन पर अब तक के सबसे सटीक प्रतिबंध स्थापित करता है, जिसमें CPT-उल्लंघनकारी पैरामीटर को मापा गया है और स्टैंडर्ड मॉडल एक्सटेंशन फ्रेमवर्क के भीतर के स्तर पर लोरेन्ट्ज़-उल्लंघनकारी मापदंडों पर सीमाएँ निर्धारित की गई हैं।
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आधुनिक भौतिकी के केंद्र में नियमों का एक ऐसा समूह है जो इतना मौलिक है कि वे परिभाषित करते हैं कि ब्रह्मांड कैसे व्यवहार करता है। इनमें से दो नियम CPT समरूपता (symmetry) और लोरेन्ट्ज़ इनवेरिएंस (Lorentz invariance) हैं। CPT समरूपता यह विचार है कि यदि आप समय को उलट दें, प्रत्येक कण को उसके विपरीत (प्रतिद्रव्य या antimatter) के साथ बदल दें, और ब्रह्मांड को एक दर्पण छवि की तरह पलट दें, तो भौतिकी के नियम बिल्कुल समान रहेंगे। लोरेन्ट्ज़ इनवेरिएंस वह सिद्धांत है कि ये नियम इस बात पर निर्भर नहीं करते कि आप कितनी तेज़ी से चल रहे हैं या आपका मुख किस दिशा में है। दशकों से, ये सिद्धांत हर परीक्षण में खरे उतरे हैं, जो हमारी वास्तविकता की समझ के आधार स्तंभ बने हुए हैं। हालाँकि, ब्रह्मांड की सबसे गहरी परतों के बारे में कुछ सिद्धांत, जैसे कि गुरुत्वाकर्षण को समझाने का प्रयास करने वाले सिद्धांत, सुझाव देते हैं कि अविश्वसनीय रूप से उच्च ऊर्जा स्तरों पर ये नियम टूट सकते हैं। यदि वे टूटते हैं, तो उनके प्रभाव बहुत सूक्ष्म होंगे, जो उपपरमाणु कणों के व्यवहार के भीतर गहराई में छिपे होंगे, और अत्यधिक सटीकता वाले उपकरणों द्वारा खोजे जाने की प्रतीक्षा कर रहे होंगे।
CERN में LHCb डिटेक्टर के साथ काम करने वाली वैज्ञानिकों की एक टीम ने B0s मेसॉन नामक कणों का उपयोग करके इस प्रश्न पर एक ताज़ा और अत्यधिक संवेदनशील दृष्टि डाली है। ये अल्पकालिक कण हैं जिनमें एक बॉटम क्वार्क होता है और ये तब बनते हैं जब प्रोटॉन लगभग प्रकाश की गति से टकराते हैं। शोधकर्ताओं ने इस बात पर ध्यान केंद्रित किया कि ये कण समय के साथ अन्य कणों में कैसे क्षय (decay), या टूटते हैं। विशेष रूप से, उन्होंने एक सूक्ष्म हस्तक्षेप पैटर्न (interference pattern) की तलाश की जो तब दिखाई देता यदि CPT समरूपता या लोरेन्ट्ज़ इनवेरिएंस थोड़े भी टूट जाते। एक ऐसी दुनिया में जहाँ ये समरूपताएं पूरी तरह से बनी रहती हैं, एक कण और उसके प्रतिद्रव्य जुड़वा (antimatter twin) का क्षय एक पूरी तरह से अनुमानित लय का पालन करेगा। यदि इन समरूपताओं का उल्लंघन होता, तो वह लय एक विशिष्ट तरीके से डगमगाती, जो पृथ्वी के घूमने और तारों के सापेक्ष कणों के ओरिएंटेशन (अभिविन्यास) के बदलने के साथ बदल जाती।
इन डगमगाहटों को खोजने के लिए, टीम ने 2015 और 2018 के बीच एकत्र किए गए डेटा के एक विशाल संग्रह का विश्लेषण किया। उन्होंने अरबों टकरावों को छानकर लगभग 3,80,000 ऐसे उदाहरणों को अलग किया जहाँ एक B0s मेसॉन एक विशिष्ट सेट के 'डॉटर' (daughter) कणों में, यानी एक Ds मेसॉन और एक पायोन (pion) में क्षय हुआ। यह विशिष्ट क्षय पथ विशेष रूप से उपयोगी है क्योंकि यह बहुत स्पष्ट और अनुमानित है, जिससे अपेक्षित व्यवहार से किसी भी सूक्ष्म विचलन को पहचानना आसान हो जाता है। वैज्ञानिकों ने फिर एक विस्तृत गणितीय मॉडल बनाया कि ये कण कैसे व्यवहार करेंगे यदि ब्रह्मांड मानक नियमों का पालन करता है, और उन्होंने इस मॉडल की वास्तविक डेटा के विरुद्ध तुलना की। उन्होंने इस संकेत की तलाश की कि क्या क्षय दर पृथ्वी के घूमने के साथ बदलती है, जो यह संकेत देता कि भौतिकी के नियम इस बात पर निर्भर करते हैं कि कण अंतरिक्ष में किस दिशा में चल रहे हैं।
इस गहन खोज का परिणाम इस बात की पुष्टि थी कि ब्रह्मांड, कम से कम परीक्षण किए गए ऊर्जा स्तरों पर, इन मौलिक नियमों का पालन करता है। शोधकर्ताओं को उन डगमगाहटों का कोई प्रमाण नहीं मिला जो CPT समरूपता या लोरेन्ट्ज़ इनवेरिएंस के उल्लंघन का संकेत देतीं, हालांकि ऑसिलेटरी (oscillatory) और कांस्टेंट (constant) परिकल्पनाओं की तुलना से 1.8 मानक विचलन (standard deviations) की सार्थकता प्राप्त हुई, जो एक सांख्यिकीय उतार-चढ़ाव के अनुकूल है। उन्होंने उन मापदंडों को मापा जो ऐसे उल्लंघन का वर्णन करते हैं और पाया कि वे शून्य के अनुरूप हैं, जो त्रुटि के एक बहुत छोटे मार्जिन के भीतर है। वास्तव में, उनके माप इस प्रकार के कण के लिए अब तक के सबसे सटीक हैं, जो संवेदनशीलता को एक ऐसे स्तर तक ले जाते हैं जहाँ वे किसी भी उल्लंघन को लगभग दस की घात चौदह (10^14) के एक हिस्से के पैमाने तक खारिज कर सकते हैं। इसका अर्थ यह है कि यदि ये समरूपताएं टूटती हैं, तो प्रभाव इतना अविश्वसनीय रूप से छोटा है कि यह वर्तमान में पृथ्वी पर मौजूद सबसे शक्तिशाली डिटेक्टरों के लिए भी अदृश्य है।
यह कार्य केवल उस बात की पुष्टि नहीं करता जिसे हम पहले से ही जानते हैं; यह उन नए सिद्धांतों पर भी अंकुश लगाता है जो प्रस्ताव देते हैं कि ब्रह्मांड अपने सबसे गहरे स्तरों पर अधिक अराजक है। यह सिद्ध करके कि B0s मेसॉन बिल्कुल वैसे ही व्यवहार करता है जैसा अनुमानित है, चाहे दिन का समय कोई भी हो या उसकी यात्रा की दिशा कोई भी हो, यह अध्ययन इस विचार को सुदृढ़ करता है कि भौतिकी के नियम वास्तव में सार्वभौमिक और अपरिवर्तनीय हैं। शोधकर्ताओं ने प्रभावी रूप से उन संभावनाओं के द्वार बंद कर दिए हैं कि ये समरूपताएं कैसे टूट सकती हैं, जिससे भौतिकविदों को वास्तविकता के मौलिक स्वभाव को समझने की उनकी खोज में एक स्पष्ट, हालांकि अधिक चुनौतीपूर्ण, मार्ग मिल गया है। ब्रह्मांड, ऐसा प्रतीत होता है, दृढ़ता से सुसंगत बना हुआ है।
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