Branching fraction measurements of and anomalous decays
LHCb प्रयोग के 13 TeV $pp\eta'(958)$ क्षय (decays) की पहली प्रयोगात्मक खोज और ब्रांचिंग अंश (branching fraction) का अब तक का सबसे सटीक मापन रिपोर्ट करता है, जबकि साथ ही और मेसॉन्स के कई अन्य विसंगतिपूर्ण क्षयों के लिए नए ऊपरी सीमाएँ और मापन भी प्रदान करता है।
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उप-परमाणु दुनिया की गहराइयों में, मेसॉन (mesons) नामक कण क्षणिक संदेशवाहक के रूप में कार्य करते हैं, जो पदार्थ के मौलिक निर्माण खंडों के बीच बलों को ले जाते हैं। इनमें, एटा (eta) और एटा-प्राइम (eta-prime) मेसॉन विशेष रूप से दिलचस्प हैं क्योंकि वे पायोन (pions) के भारी, अस्थिर चचेरे भाई हैं, और उनका व्यवहार प्रबल परमाणु बल (strong nuclear force) द्वारा नियंत्रित होता है, जो परमाणु नाभिकों को एक साथ जोड़ने वाला गोंद है। भौतिकविदों ने इन कणों का उपयोग लंबे समय से ब्रह्मांड के सबसे सूक्ष्म स्तरों पर यह परीक्षण करने के लिए किया है कि उनके सर्वोत्तम सिद्धांत कैसे काम करते हैं। एक विशिष्ट पहेली दुर्लभ क्षय (rare decays) से जुड़ी है, जहाँ ये मेसॉन म्यूऑन (muons) के जोड़ों में बदल जाते हैं, जो इलेक्ट्रॉनों के भारी, अस्थिर संस्करण हैं। कण भौतिकी के मानक मॉडल (Standard Model) के अनुसार, ये रूपांतरण एक बहुत ही अनुमानित दर पर होने चाहिए, जो आभासी फोटॉन (virtual photons) के निर्माण और विनाश से जुड़े एक सूक्ष्म क्वांटम प्रभाव द्वारा संचालित होते हैं। हालाँकि, यदि इन क्षयों की वास्तविक दर भविष्यवाणी से भिन्न होती है, तो यह नए, अदृश्य कणों या बलों की उपस्थिति का संकेत दे सकती है जिन्हें अभी तक खोजा नहीं गया है।
एलएचसीबी (LHCb) प्रयोग का उपयोग करने वाले शोधकर्ताओं के एक दल ने अब इन दुर्लभ घटनाओं पर एक ताज़ा नज़र डाली है। प्रोटॉन के उच्च-गति टकरावों के डेटा के एक विशाल संग्रह का विश्लेषण करके, उन्होंने अभूतपूर्व सटीकता के साथ यह मापा है कि एटा मेसॉन कितनी बार दो म्यूऑन में क्षय होते हैं। उन्होंने भारी एटा-प्राइम मेसॉन में भी इसी तरह के क्षय की खोज की, एक ऐसी प्रक्रिया जिसे पहले कभी नहीं देखा गया था। हालाँकि उन्हें एटा मेसॉन के लिए एक स्पष्ट संकेत मिला, लेकिन उन्हें एटा-प्राइम क्षय की पुष्टि करने के लिए पर्याप्त साक्ष्य नहीं मिले, बल्कि उन्होंने इस बात पर एक सख्त ऊपरी सीमा निर्धारित की कि यह कितनी बार हो सकता है। इसके अलावा, टीम ने दो पायोन और दो म्यूऑन वाले एक विशिष्ट प्रकार के चार-कण क्षय की भी खोज की, जिसमें एटा-प्राइम संस्करण के लिए एक स्पष्ट संकेत मिला लेकिन एटा संस्करण के लिए केवल एक ऊपरी सीमा मिली। ये परिणाम इस बात को स्पष्ट करते हैं कि ये कण कैसे व्यवहार करते हैं, जिससे कुछ सैद्धांतिक अपेक्षाओं की पुष्टि होती है और भविष्य की खोजों के लिए द्वार खुला रहता है।
शोधकर्ताओं ने एलएचसीबी डिटेक्टर का उपयोग करके 2016 और 2018 के बीच एकत्र किए गए डेटा का उपयोग करके अपना अध्ययन किया, जिसे भारी क्वार्क्स (quarks) वाले कणों को पहचानने के लिए डिज़ाइन किया गया है। उन्होंने उन टकरावों पर ध्यान केंद्रित किया जहाँ ऊर्जा 13 ट्रिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट के बराबर थी, जो इतने उच्च स्तर का है कि बड़ी संख्या में चार्म मेसॉन (charm mesons) उत्पन्न कर सके। ये चार्म मेसॉन प्रयोग के लिए महत्वपूर्ण हैं क्योंकि वे अक्सर उन एटा और एटा-प्राइम मेसॉन में क्षय होते हैं जिनका अध्ययन वैज्ञानिक करना चाहते हैं। इन टकरावों के मलबे को ट्रैक करके, टीम इन परिणामी कणों के पथों को पुनर्गठित कर सकती थी और पहचान सकती थी कि कब एक एटा या एटा-प्राइम मेसॉन ने विशिष्ट म्यूऑन और पायोन के संयोजनों में रूपांतरण किया। यह सुनिश्चित करने के लिए कि उनके माप सटीक हों, उन्होंने इन दुर्लभ घटनाओं की तुलना एक अलग कण, जिसे फी (phi) मेसॉन कहा जाता है, के एक अच्छी तरह से समझे गए संदर्भ प्रक्रम (reference process) से की, जो स्वयं म्यूऑन में क्षय होता है। इस तुलना ने डिटेक्टर के कामकाज से जुड़ी कई अनिश्चितताओं को दूर करने में मदद की।
विश्लेषण ने दो म्यूऑन में एटा के क्षय के लिए एक स्पष्ट संकेत प्रकट किया। टीम ने गणना की कि यह लगभग हर दस लाख एटा मेसons में से 5.3 बार होता है। यह माप इस विशिष्ट प्रक्रिया के लिए अब तक का सबसे सटीक रिकॉर्ड है, जो पिछले परिणामों की सटीकता में आधे से अधिक सुधार करता है। इस संख्या की सटीकता महत्वपूर्ण है क्योंकि यह सिद्धांतकारों को मजबूत बल (strong force) की अपनी गणनाओं का अधिक विश्वास के साथ परीक्षण करने की अनुमति देती है। यदि मेसॉन और फोटॉन के बीच परस्पर क्रिया की ताकत के लिए उनके सैद्धांतिक अनुमान इस नए, अधिक सटीक माप से मेल नहीं खाते हैं, तो यह कण भौतिकी की वर्तमान समझ में दोष की ओर इशारा कर सकता है। यह परिणाम इस विशेष क्षय चैनल के लिए मानक मॉडल की एक ठोस पुष्टि के रूप में खड़ा है, जिसमें अनिश्चितता घटकर केवल कुछ प्रतिशत रह गई है।
इसके विपरीत, दो म्यूऑन में एटा-प्राइम मेसॉन की खोज से कोई निर्णायक संकेत नहीं मिला। शोधकर्ताओं ने डेटा का परीक्षण किया और पाया कि यदि यह क्षय होता भी है, तो यह अत्यंत दुर्लभ होना चाहिए, जो प्रत्येक दस मिलियन एटा-प्राइम मेसॉन्स में से 1.9 बार से भी कम होता है। यह पहली बार है जब इस कण के लिए ऐसी सीमा स्थापित की गई है। स्पष्ट संकेत की कमी का मतलब यह नहीं है कि यह क्षय असंभव है, बल्कि इसका मतलब यह है कि यदि यह मौजूद है, तो यह कुछ सिद्धांतों द्वारा सुझाए गए स्तर से बहुत कम बार होता है। टीम ने एक अधिक जटिल क्षय की भी तलाश की जहाँ एटा-प्रमाइन दो पायोन और दो म्यूऑन में टूट जाता है। यहाँ, उन्हें एक मजबूत संकेत मिला, जिसमें उन्होंने मापा कि यह दर लगभग प्रति एक लाख एटा-प्राइम मेसॉन्स में 2.7 बार होती है। एटा-प्राइम के लिए इस विशिष्ट चार-कण क्षय को मापना पहली बार है, जो पायोन के साथ इन कणों की परस्पर क्रिया पर नया डेटा प्रदान करता है।
अध्ययन ने चार-कण क्षय मोड में एटा मेसॉन पर भी ध्यान केंद्रित किया, जिसमें दो पायोन और दो म्यूऑन का समान संयोजन तलाशा गया। इस मामले में, कोई संकेत नहीं मिला। शोधकर्ताओं ने निर्धारित किया कि यदि यह क्षय होता है, तो यह दस मिलियन एटा मेसॉन्स में से 5.4 बार से भी कम होगा। यह परिणाम सैद्धांतिक भविष्यवाणियों के अनुरूप है जो सुझाव देते हैं कि एटा-प्राइम की तुलना में एटा के कम द्रव्यमान के कारण यह क्षय अत्यधिक दबा हुआ (suppressed) है। द्रव्यमान का अंतर क्षय उत्पादों के घूमने के लिए उपलब्ध स्थान को सीमित करता है, जिससे हल्के कण के लिए यह प्रक्रिया बहुत कम संभावित हो जाती है। इन ऊपरी सीमाओं को स्थापित करके, टीम ने प्रभावी रूप से इस संभावना को खारिज कर दिया कि यह क्षय उस दर पर हो रहा है जो उनके वर्तमान डेटा के साथ आसानी से पता लगाने योग्य होता।
मानक मॉडल का परीक्षण करने के अलावा, शोधकर्ताओं ने अपने डेटा का उपयोग नई भौतिकी के संकेतों की खोज के लिए भी किया, विशेष रूप से डार्क फोटॉन (dark photons) या एक्सियन-जैसे कणों (axion-like particles) जैसे काल्पनिक कणों की तलाश की जो इन क्षयों को मध्यस्थता प्रदान कर सकते हैं। उन्होंने डेटा को किसी भी अप्रत्याशित पैटर्न के लिए स्कैन किया जो यह सुझाव दे सके कि एक अदृश्य कण बनाया जा रहा है और फिर वह म्यूऑन में क्षय हो रहा है। इन काल्पनिक कणों के संभावित द्रव्यमानों की एक विस्तृत श्रृंखला में गहन खोज के बाद, उन्हें ऐसी किसी भी नई भौतिकी का कोई प्रमाण नहीं मिला। उन्होंने इन विदेशी कणों के शामिल होने की आवृत्ति पर नई, सख्त सीमाएं निर्धारित कीं, जिससे भविष्य के प्रयोगों के लिए खोज क्षेत्र संकुचित हो गया। इन संकेतों की अनुपस्थिति इस वर्तमान दृष्टिकोण को पुख्ता करती है कि मानक मॉडल इस क्षेत्र में अच्छी तरह से कायम है, हालांकि भविष्य की अधिक संवेदनशील खोजों के लिए द्वार खुला है।
इन मापों की सटीकता डेटा की मात्रा से नहीं, बल्कि तुलना के लिए उपयोग किए गए संदर्भ कण के ज्ञात गुणों में अनिश्चितता से सीमित है। टीम ने फी मेसॉन के म्यूऑन में क्षय की दर पर भरोसा किया, जिसमें त्रुटि का एक छोटा मार्जिन है। जब तक उस संदर्भ मान को अधिक सटीकता के साथ नहीं मापा जाता, तब तक इन नए परिणामों की सटीकता उसके वर्तमान स्तर पर रुकी रहेगी। इसके बावजूद, यह कार्य एटा और एटा-प्राइम मेसॉन के व्यवहार को समझने की दिशा में एक बड़ा कदम है। एटा-टू-म्यूऑन क्षय के लिए सबसे सटीक माप और एटा-प्राइम चैनलों के लिए पहले मापन और सीमाएं प्रदान करके, एलएचसीबी सहयोग ने उप-परमाणु परिदृश्य का एक स्पष्ट मानचित्र प्रदान किया है। ये परिणाम उन सिद्धांतकारों के लिए एक बेंचमार्क के रूप में कार्य करेंगे जो अपने मॉडलों को परिष्कृत कर रहे हैं और उन प्रयोगकर्ताओं के लिए भी जो अज्ञात की अगली पीढ़ी की खोजों की योजना बना रहे हैं।
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