Search for the rare Higgs boson decay H $\to$ Z$\gamma$ in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 and 13.6 TeV

ब्रह्मांड की विशाल, अदृश्य वास्तुकला में, एक मौलिक क्षेत्र मौजूद है जो उन कणों को द्रव्यमान प्रदान करता है जिनसे वह सब कुछ बना है जिसे हम देखते हैं। इस क्षेत्र के बिना, पदार्थ के निर्माण खंड प्रकाश की गति से इधर-उधर दौड़ते रहते, और परमाणुओं, तारों या मनुष्यों को बनाने के लिए एक साथ जुड़ने में असमर्थ होते। इस क्षेत्र से जुड़ा कण हिग्स बोसोन है, जो 2012 में की गई एक खोज थी जिसने ब्रह्मांड कैसे काम करता है, इस बारे में दशकों पुराने सिद्धांत की पुष्टि की। उस खोज के बाद से, भौतिक विज्ञानी इस कण के गुणों को अत्यधिक सटीकता के साथ मापने में व्यस्त रहे हैं, यह जाँचने के लिए कि क्या यह ठीक वैसा ही व्यवहार करता है जैसा कि भौतिकी का मानक मॉडल भविष्यवाणी करता है या क्या यह सूक्ष्म दरारें दिखाता है जो प्रकृति के नए, अज्ञात नियमों की ओर ले जा सकती हैं। इसे परखने के सबसे कठिन तरीकों में से एक हिग्स बोसोन के क्षय होने, या अन्य कणों में टूटने की निगरानी करना है। जबकि यह आमतौर पर सामान्य कणों में टूटता है, यह यह भी अनुमानित है कि कभी-कभी एक Z बोसोन और प्रकाश के फोटॉन में परिवर्तित हो जाता है। यह विशिष्ट रूपांतरण अत्यंत दुर्लभ है, जो केवल हर एक हजार क्षयों में से लगभग एक बार होता है, जिससे यह सुई खोजने जैसा कठिन कार्य बन जाता है जिसके लिए डेटा की विशाल मात्रा और परिष्कृत उपकरणों की आवश्यकता होती है।

स्विट्जरलैंड में लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर में CMS प्रयोग के साथ काम करने वाले एक शोधकर्ता ने अभी-अभी इस दुर्लभ घटना की एक व्यापक खोज पूरी की है। उन्होंने प्रोटॉन के बीच होने वाले टकरावों के एक विशाल डेटासेट का विश्लेषण किया, जो परमाणु नाभिक को बनाने वाले सूक्ष्म कण हैं, जिन्हें 13 और 13.6 ट्रिलियन इलेक्ट्रॉनवोल्ट की ऊर्जाओं पर आपस में टकराया गया था। कई वर्षों में एकत्र किया गया यह डेटा 200 इन्वर्स फेमटोबार्न ल्यूमिनोसिटी का कुल प्रतिनिधित्व करता है, जो इस बात का माप है कि कितने टकराव हुए। हिग्स बोसोन के Z बोसोन और एक फोटॉन में क्षय होने को खोजने के लिए, वैज्ञानिक ने एक बहुत ही विशिष्ट संकेत की तलाश की: दो आवेशित कणों (या तो इलेक्ट्रॉन या म्यूऑन) का एक जोड़ा जो Z बोसोन से आते हैं, और उनके साथ एक एकल, उच्च-ऊर्जा वाला फोटॉन। चूंकि Z बोसोन अस्थिर होता है, इसलिए यह तुरंत इन दो आवेशित कणों में टूट जाता है, जिससे डिटेक्टर में एक स्पष्ट निशान छूट जाता है। चुनौती यह थी कि अन्य सामान्य कण अंतःक्रियाओं से उत्पन्न होने वाला बैकग्राउंड शोर (पृष्ठभूमि शोर) बहुत अधिक था, जो लाखों ऐसी घटनाएं पैदा करता है जो उस सिग्नल के लगभग समान दिखती हैं जिसकी वैज्ञानिक तलाश कर रहे थे।

सिग्नल को शोर से अलग करने के लिए, शोधकर्ता ने केवल एक विधि पर भरोसा नहीं किया बल्कि इसके बजाय एक जटिल, बहु-स्तरीय रणनीति बनाई। उन्होंने पहले टकराव की घटनाओं को इस आधार पर अलग-अलग श्रेणियों में वर्गीकृत किया कि हिग्स बोसोन के निर्माण की संभावना कैसे थी। कुछ घटनाएं दो ग्लूऑन्स के टकराव से आईं, जो परमाणु नाभिक को थामे रखते हैं, जबकि अन्य बल-वाहक कणों के संलयन या टॉप क्वार्क जैसे अन्य भारी कणों के साथ जुड़ाव से आईं। निर्माण के सबसे सामान्य प्रकार के लिए, उन्होंने उन्नत कंप्यूटर एल्गोरिदम, जिन्हें 'बूस्टेड डिसीजन ट्रीज़' कहा जाता है, का उपयोग किया ताकि वे एक वास्तविक सिग्नल और एक बैकग्राउंड इवेंट के बीच सूक्ष्म अंतर को सीख सकें। ये एल्गोरिदम दर्जनों विशेषताओं का विश्लेषण करते थे, जैसे कि कण किस कोण पर अलग होते हैं और वे कितनी ऊर्जा ले जाते हैं, ताकि एक स्कोर दिया जा सके जो यह संकेत दे कि किसी घटना के उस दुर्लभ क्षय के होने की कितनी संभावना है जिसे वे खोज रहे हैं। उन्होंने कणों की ऊर्जा के मापन को परिष्कृत करने के लिए एक विशेष गणितीय तकनीक भी लागू की, जिससे डेटा की छवि प्रभावी रूप से स्पष्ट हो गई ताकि सिग्नल बैकग्राउंड के मुकाबले अधिक स्पष्ट रूप से उभर सके।

सभी फिल्टर लगाने और लाखों घटनाओं को तेरह विशिष्ट श्रेणियों में वर्गीकृत करने के बाद, शोधकर्ता ने हिग्स बोसोन के विशिष्ट द्रव्यमान, जो लगभग 125.38 गीगाइलेक्ट्रॉनवोल्ट है, पर घटनाओं के एक छोटे से अतिरिक्त (excess) की तलाश के लिए एक समवर्ती सांख्यिकीय विश्लेषण किया। परिणाम सिग्नल स्ट्रेंथ (संकेत शक्ति) का एक मापन था, जो यह तुलना करता है कि उन्होंने कितनी बार घटना देखी और मानक मॉडल के अनुसार यह कितनी बार होनी चाहिए। उन्होंने 1.10 की सिग्नल स्ट्रेंथ पाई, जिसका अर्थ है कि उन्होंने अनुमान से थोड़ा अधिक घटना देखी, लेकिन यह अंतर इतना छोटा था कि इसे यादृच्छिक सांख्यिकीय उतार-चढ़ाव के अनुरूप माना जा सकता है। उनके अवलोकन की सांख्यिकीय सार्थकता (statistical significance) 1.9 मानक विचलन (standard deviations) थी, जो इस बात का माप है कि यह परिणाम संयोग होने की कितनी संभावना है। कण भौतिकी की दुनिया में, एक खोज के लिए पांच मानक विचलन की सार्थकता की आवश्यकता होती है, इसलिए यह परिणाम अभी तक एक पुष्ट खोज नहीं है, लेकिन यह एक सार्थक कदम है। शोधकर्ता ने अपने सिमुलेशन के आधार पर जो अपेक्षित देखा था, उसकी गणना भी की, जो 2.3 मानक विचलन की सार्थकता थी, जो दर्शाता है कि उनके वास्तविक परिणाम उनकी अपेक्षाओं के बहुत करीब थे।

यह अध्ययन पुष्टि करता है कि हिग्स बोसोन काफी हद तक वैसा ही व्यवहार करता है जैसी मानक मॉडल भविष्यवाणी करती है, यहाँ तक कि इस दुर्लभ और कठिन रूप से देखे जाने वाले क्षय चैनल में भी। हालांकि डेटा ने एक मामूली ऊपर की ओर उतार-चढ़ाव दिखाया, लेकिन यह दावा करने के लिए पर्याप्त नहीं था कि नया भौतिक विज्ञान मिल गया है या मानक मॉडल गलत है। शोधकर्ता ने अपने डिटेक्टरों के अंशांकन (कैलिब्रेशन) से लेकर यह गणना करने के सैद्धांतिक तरीकों तक, त्रुटि के हर संभावित स्रोत का सावधानीपूर्वक हिसाब रखा। उन्होंने पाया कि उनके मापन में अनिश्चितताएं उनके उपकरणों या विधियों की खामियों के बजाय उपलब्ध डेटा की सीमित मात्रा के कारण थीं। यह कार्य पिछले खोजों की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार है, जो बेहतर ट्रिगर रणनीतियों, अधिक परिष्कृत घटना वर्गीकरण और उन्नत मशीन लर्निंग तकनीकों के माध्यम से अपेक्षित संवेदनशीलता को लगभग पचास प्रतिशत तक बढ़ा देता है। मापे जाने योग्य सीमाओं को आगे बढ़ाकर, शोधकर्ता ने संभावित नए भौतिक विज्ञान के लिए खिड़की को संकुचित कर दिया है, भले ही उन्होंने अभी तक इसका दरवाजा नहीं खोला है।

इस खोज के निहितार्थ केवल घटनाओं को गिनने से कहीं अधिक हैं। क्योंकि हिग्स बोसोन का Z बोसोन और एक फोटॉन में क्षय आभासी कणों (virtual particles) के एक लूप के माध्यम से होता है, यह किसी भी नए, भारी कणों के प्रति संवेदनशील है जो अस्तित्व में हो सकते हैं लेकिन इतने विशाल हैं कि उन्हें सीधे उत्पन्न नहीं किया जा सकता। यदि ऐसे कण मौजूद होते, तो वे इस क्षय की दर को बदल देते। तथ्य यह है कि देखा गया दर मानक मॉडल की भविष्यवाणी के बहुत करीब है, यह सुझाव देता है कि कोई भी अज्ञात कण जो इस प्रक्रिया को प्रभावित कर रहे हैं, उनका कोई बड़ा, छिपा हुआ योगदान नहीं है। हालांकि, मापन अभी भी सांख्यिकी द्वारा सीमित है, जिसका अर्थ है कि अधिक डेटा के साथ, सटीकता में सुधार होगा, और सूक्ष्म विचलन को पकड़ने की क्षमता बढ़ेगी। शोधकर्ता ने अपने डेटा और विश्लेषण उपकरण व्यापक वैज्ञानिक समुदाय के लिए उपलब्ध करा दिए हैं, यह सुनिश्चित करते हुए कि इस परिणाम को हिग्स बोसोन की और भी स्पष्ट तस्वीर बनाने के लिए अन्य मापों के साथ जोड़ा जा सके।

अंत में, यह शोध पत्र आधुनिक विज्ञान में धैर्य और सटीकता की शक्ति का प्रमाण है। शोधकर्ता को न तो कोई नाटकीय नया कण मिला और न ही भौतिकी में कोई अचानक क्रांति हुई, लेकिन उन्होंने सफलतापूर्वक एक बहुत ही कठिन उप-परमाणु दुनिया के कोने को पहले से कहीं अधिक स्पष्टता के साथ मैप किया है। उन्होंने दिखाया है कि हिग्स बोसोन, इसके सबसे मायावी क्षय मोड में भी, मानक मॉडल द्वारा निर्धारित नियमों का पालन करना जारी रखता है। खोज जारी है, और लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर के अभी भी चल रहे और डेटा एकत्र कर रहे होने के साथ, अगली पीढ़ी के मापन संभवतः इन सीमाओं को और आगे बढ़ाएंगे, जिससे इन छोटे संकेतों को वास्तविकता की मौलिक प्रकृति के बारे में निश्चित उत्तरों में बदला जा सकेगा।