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Solar Capture Tests of Inelastic Dark Matter after the LZ High-Recoil Event

यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि जबकि सौर कैप्चर बाधाएं हालिया LZ हाई-रिकोइल घटना की थर्मल हिग्सिनो व्याख्या को निश्चित रूप से बाहर करती हैं, वे अन्य एंडोथर्मिक डार्क मैटर मॉडलों, जैसे कि थर्मल स्यूडो-डायरेक फर्मियन्स या न्यूट्रॉन-फिलिक स्पिन-डिपेंडेंट स्कैटरिंग को सामान्य रूप से खारिज नहीं करती हैं, जो वर्तमान आइसक्यूब सीमाओं से काफी नीचे होने के बावजूद व्यवहार्य बने हुए हैं।

मूल लेखक: Mattia Di Mauro, Halim Shaikh

प्रकाशित 2026-09-09

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CC0 1.0

मूल लेखक: Mattia Di Mauro, Halim Shaikh

मूल पेपर CC0 1.0 (http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/) के तहत सार्वजनिक डोमेन को समर्पित है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

ब्रह्मांड का अधिकांश पदार्थ अदृश्य है। यह न तो चमकता है, न ही प्रकाश को परावर्तित करता है, और न ही किसी भी तरह से उन परमाणुओं के साथ अंतःक्रिया करता है जिनसे हमारी दुनिया बनी है जिसे हम आसानी से पहचान सकें। खगोलशास्त्री इस पदार्थ को डार्क मैटर (dark matter) कहते हैं। हालांकि हम जानते हैं कि यह अस्तित्व में है क्योंकि इसका गुरुत्वाकर्षण आकाशगंगाओं को एक साथ थामे रखता है, लेकिन हमने कभी इसका एक भी कण नहीं देखा है। दशकों से, वैज्ञानिक इन कणों की खोज के लिए जमीन के बहुत नीचे विशाल डिटेक्टर बनाकर कर रहे हैं, इस उम्मीद में कि वे लिक्विड जेनन (liquid xenon) के टैंक में एक परमाणु से टकराने वाले डार्क मैटर कण को पकड़ सकें। हाल ही में, ऐसे ही एक प्रयोग, LUX-ZEPLIN डिटेक्टर ने, एक एकल, पहेलीनुमा घटना दर्ज की। टैंक में मौजूद एक भारी परमाणु से इतनी अधिक ऊर्जा के साथ टकराया गया प्रतीत हुआ, जितनी कि डार्क मैटर के किसी भी मानक सिद्धांत द्वारा भविष्यवाणी की गई ऊर्जा से कहीं अधिक थी। ऊर्जा की इस एक चमक ने सिद्धांतों की एक नई लहर को जन्म दिया है, जो सुझाव देती है कि डार्क मैटर एक सरल, स्थिर कण नहीं हो सकता, बल्कि कुछ अधिक जटिल हो सकता है जो परमाणु से टकराने पर अपनी आंतरिक अवस्था को बदल लेता है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस रहस्यमय घटना पर बारीकी से नज़र डाली है, और एक महत्वपूर्ण प्रश्न पूछा है: यदि यह अजीब संकेत वास्तव में एक नए प्रकार के डार्क मैटर के कारण है, तो क्या हम पहले ही हमारे अपने सूर्य के भीतर फंसे उसी डार्क मैटर के परिणामों को देख चुके हैं? सूर्य एक विशाल गुरुत्वाकर्षण जाल के रूप में कार्य करता है। जैसे ही आकाशगंगा से डार्क मैटर के कण गुजरते हैं, सूर्य का अपार गुरुत्वाकर्षण उन्हें अपनी ओर खींच लेता है। यदि वे सूर्य के कोर (core) में मौजूद घने पदार्थ से टकराते हैं, तो वे इतनी गति खो सकते हैं कि फंस जाएं, और अरबों वर्षों तक तारे के भीतर परिक्रमा कर सकते हैं। समय के साथ, ये फंसे हुए कण आपस में टकरा सकते हैं और नष्ट (annihilate) हो सकते हैं, जिससे उच्च-ऊर्जा न्यूट्रिनो की एक बाढ़ निकलती है जो सीधे पृथ्वी की ओर आती है। शोधकर्ताओं ने यह गणना करके कि सूर्य ने कितने डार्क मैटर कणों को पकड़ा होगा और वे कितने न्यूट्रिनो उत्पन्न करेंगे, यह परीक्षण किया कि क्या भूमिगत घटना को समझाने वाले नए सिद्धांत इस सौर परीक्षण में जीवित रह सकते हैं।

यह अध्ययन तीन विशिष्ट विचारों पर केंद्रित था कि यह डार्क मैटर क्या हो सकता है। पहला विचार एक कण से संबंधित है जिसे थर्मल हिग्सिनो (thermal Higgsino) कहा जाता है, जो एक भारी, स्थिर कण है जिसके अस्तित्व की भौतिकविदों को लंबे समय से अपेक्षा रही है। दूसरा विचार सुझाव देता है कि डार्क मैटर एक "स्यूडो-डायरैक" (pseudo-Dirac) फर्मियन है, जो दो थोड़े अलग ऊर्जा स्तरों में मौजूद होता है, और अंतःक्रिया करते समय उनके बीच बदलता रहता है। तीसरा विचार एक ऐसे कण का प्रस्ताव करता है जो विशेष रूप से न्यूट्रॉन के स्पिन (spin) के साथ अंतःक्रिया करता है, एक ऐसा गुण जो इसे पृथ्वी पर जेनन टैंक की तुलना में सूर्य के घने वातावरण में बहुत अलग व्यवहार करने पर मजबूर करता है। शोधकर्ताओं ने विस्तृत कंप्यूटर मॉडल बनाए ताकि वे अनुकरण (simulate) कर सकें कि इनमें से प्रत्येक तीन उम्मीदवारों का व्यवहार कैसा होगा यदि उन्हें सूर्य द्वारा पकड़ा जाता है, जिसमें सूर्य के कोर की अत्यधिक गर्मी और घनत्व को भी ध्यान में रखा गया, जो वास्तव में उन ऊर्जा बाधाओं को पार करने में मदद कर सकते हैं जो एक ठंडे भूमिगत डिटेक्टर को रोक सकती हैं।

परिणाम पहले उम्मीदवार के लिए निर्णायक थे। थर्मल हिग्सिनो, जो भूमिगत घटना के साथ पूरी तरह फिट बैठता है, पाया गया कि यह असंभव है यदि यह ब्रह्मांड के इतिहास के लिए आवश्यक मात्रा में भी मौजूद हो। शोधकर्ताओं ने गणना की कि यदि यह कण वास्तविक होता, तो सूर्य ने इतने अधिक कणों को पकड़ा होता कि वे नष्ट हो जाते और न्यूट्रिनो का एक विशाल विस्फोट उत्पन्न करते। हालांकि, अंटार्कटिका में आइसक्यूब (IceCube) न्यूट्रिनो वेधशाला, जो विशेष रूप से इस तरह के संकेत के लिए सूर्य पर नज़र रखती है, ने कुछ भी नहीं देखा है। अनुमानित संकेत वास्तव में देखे गए संकेतों की तुलना में बहुत अधिक शक्तिशाली है। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि भूमिगत घटना के लिए थर्मल हिग्सिनो का स्पष्टीकरण प्रभावी रूप से खारिज कर दिया गया है; सूर्य ने इसे बहुत पहले ही उजागर कर दिया होता।

हालांकि, अन्य दो विचार एक अलग कहानी बताते हैं। स्यूडो-डायरैक कण और न्यूट्रॉन-केंद्रित कण के लिए, स्थिति बहुत सूक्ष्म है। इन मॉडलों में, सूर्य के भीतर डार्क मैटर के कण ऊर्जा अवस्थाओं के एक जटिल नृत्य में फंस जाते हैं। वे एक टक्कर द्वारा उच्च ऊर्जा स्तर तक उत्तेजित हो सकते हैं, लेकिन वे वापस नीचे भी गिर सकते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि इन विशिष्ट प्रकार के कणों के लिए, उनके नष्ट होने और न्यूट्रिनो बनाने की प्रक्रिया काफी दमित (suppressed) है। भले ही सूर्य इन कणों की एक महत्वपूर्ण संख्या को पकड़ लेता है, लेकिन आंतरिक यांत्रिकी उन्हें एक पता लगाने योग्य न्यूट्रिनो संकेत उत्पन्न करने के लिए आवश्यक घने, गर्म कोर बनाने से रोकती है। न्यूट्रिनो की अनुमानित संख्या आइसक्यूब वेधशाला द्वारा निर्धारित सीमाओं से बहुत नीचे रहती है।

इसका अर्थ यह है कि जबकि सूर्य ने एक शक्तिशाली फिल्टर के रूप में कार्य किया है, जिसने नए डार्क मैटर सिद्धांत के सबसे सरल और सबसे अधिक भविष्य कहने वाले संस्करण को समाप्त कर दिया है, इसने अधिक जटिल संभावनाओं के द्वार बंद नहीं किए हैं। अध्ययन दर्शाता है कि भूमिगत देखी गई अजीब घटना अभी भी इन अधिक विलक्षण (exotic) रूपों के डार्क मैटर द्वारा उत्पन्न की जा सकती है, बशर्ते उनके पास वह विशिष्ट आंतरिक संरचना हो जो उन्हें सूर्य को रोशन करने से रोकती है। शोधकर्ताओं को कोई नई खोज नहीं मिली, लेकिन उन्होंने एक कठोर तनाव परीक्षण (stress test) किया, यह दिखाते हुए कि ब्रह्मांड इन नए विचारों में से कुछ के साथ सुसंगत है जबकि दूसरों को दृढ़ता से खारिज करता है। डार्क मैटर की खोज जारी है, अब इस ज्ञान के साथ निर्देशित है कि यदि उत्तर एक जटिल, बदलते हुए कण में निहित है, तो सूर्य एक ऐसी जगह है जहाँ वह कण सादे रूप में छिप सकता है।

तकनीकी सारांश: LZ उच्च-पुनः प्रहार (High-Recoil) घटना के बाद अलोचदार डार्क मैटर (Inelastic Dark Matter) के सौर कैप्चर परीक्षण

समस्या विवरण
LUX-ZEPLIN (LZ) सहयोग ने एक पुनर्निर्मित ऊर्जा $E_R = 248 \pm 23 \text{ (stat)} \pm 23 \text{ (sys)}$ keV के साथ एक संभावित नाभिकीय-पुनः प्रहार (nuclear-recoil) घटना की सूचना दी। यह घटना $3.4\sigma$ की स्थानीय सार्थकता प्रदर्शित करती है (जो वैश्विक स्तर पर $2.6\sigma$ तक कम हो जाती है) और यह मानक लोचदार स्पिन-स्वतंत्र (elastic spin-independent) WIMP खोजों के विशिष्ट ऊर्जा विंडो से काफी ऊपर है। कई अलोचदार डार्क मैटर (inelastic DM) व्याख्याएं, विशेष रूप से वे जो एंडोथर्मिक प्रकीर्णन ( $\chi_1 A \to \chi_2 A$ जहाँ द्रव्यमान विभाजन $\delta > 0$ है) से जुड़ी हैं, इस घटना के लिए उच्च स्थानीय सार्थकता प्रदान करती हैं।

जबकि स्थलीय प्रत्यक्ष पता लगाने वाले (direct detection - DD) प्रयोग जैसे कि LZ, इन अलोचदार हस्ताक्षरों के प्रति संवेदनशील हैं, सूर्य एक पूरक जांच (complementary probe) प्रदान करता है। सौर विभव (Solar potential) के भीतर गुरुत्वाकर्षण त्वरण के कारण डार्क मैटर कण पृथ्वी के डिटेक्टरों की तुलना में काफी उच्च वेग प्राप्त कर सकते हैं, जिससे बड़े द्रव्यमान विभाजन ( $\delta$ ) वाले डार्क मैटर को कैप्चर करना संभव हो जाता है जो पृथ्वी पर गतिज रूप से दुर्गम (kinematically inaccessible) हैं। एक बार कैप्चर होने के बाद, डार्क मैटर सौर कोर में संचित हो सकता है और विलोपन (annihilation) कर सकता है, जिससे उच्च-ऊर्जा न्यूट्रिनो उत्पन्न होते हैं जो IceCube न्यूट्रिनो वेधशाला द्वारा सीमित हैं। मुख्य समस्या यह है कि क्या विशिष्ट अलोचदार डार्क मैटर मॉडल, जो LZ घटना द्वारा समर्थित हैं, इन सौर न्यूट्रिनो सीमाओं द्वारा वर्जित (excluded) किए जाते हैं, विशेष रूप से बहु-अवस्था (multi-state) डार्क मैटर प्रणालियों के जटिल पोस्ट-कैप्चर विकास को ध्यान में रखते हुए।

कार्यप्रणाली (Methodology)
लेखक तीन अलग-अलग अलोचदार डार्क मैटर बेंचमार्क्स के लिए विस्तृत सौर कैप्चर, कक्षीय विकास और विलोपन का विश्लेषण करते हैं:

थर्मल हिग्सिनो (Thermal Higgsino): एक लगभग शुद्ध हिग्सिनो जिसका द्रव्यमान 1.1 TeV के पास है, जहाँ द्रव्यमान विभाजन $\delta$ इलेक्ट्रोवीक समरूपता भंग (electroweak symmetry breaking) द्वारा निर्धारित होता है।
थर्मल स्यूडो-डायराक फर्मियन (Thermal Pseudo-Dirac Fermion): एक वेक्टर-इंटरैक्शन मॉडल, जिसका द्रव्यमान 1 TeV और द्रव्यमान विभाजन $\delta \approx 297$ keV है, जिसे LZ दर और थर्मल रेलिक अबंडेंस (thermal relic abundance) को पुनरुत्पादित करने के लिए ट्यून किया गया है।
न्यूट्रॉन-फिलिक एंडोथर्मिक स्पिन-डिपेंडेंट (SD) प्रकीर्णन: एक एक्सियल-वेक्टर इंटरैक्शन मॉडल ( $O_4$ ऑपरेटर) जिसमें $m_\chi = 1$ TeV और $\delta = 300$ keV है, जिसे ज़ेनॉन (न्यूट्रॉन-समृद्ध) और सौर (अल्प मात्रा में विषम-न्यूट्रॉन आइसोटोप वाले) लक्ष्यों के बीच पूरकता का परीक्षण करने के लिए डिज़ाइन किया गया है।

कार्यप्रणाली में तीन अलग-अलग भौतिक चरण शामिल हैं:

कैप्चर (Capture): लेखक BS05(AGS,OP) मानक सौर मॉडल का उपयोग करके कैप्चर दर ( $C_\odot$ ) की गणना करते हैं। वे ऊर्जा लागत $\delta$ और बाइंडिंग स्थिति को शामिल करने के लिए मानक गोल्ड (Gould) फॉर्मलिज्म का सामान्यीकरण करते हैं। महत्वपूर्ण रूप से, न्यूट्रॉन-फिलिक मामले के लिए, वे भारी, ट्रेस विषम-न्यूट्रॉन आइसोटोप (जैसे, $^{57}\text{Fe}$ , $^{73}\text{Ge}$ ) के थर्मल पुन: उत्तेजना (thermal re-excitation) को ध्यान में रखने के लिए परिमित-तापमान प्रभावों को शामिल करते हैं, जो स्थिर-लक्ष्य सन्निकटन (stationary-target approximations) में गतिज रूप से बंद होते हैं।
पोस्ट-कैप्चर विकास (Post-Capture Evolution): मानक लोचदार WIMPs के विपरीत, अलोचदार डार्क मैटर के लिए आंतरिक अवस्था आबादी ( $N_1$ और $N_2$ ) और कक्षीय वितरण को ट्रैक करने की आवश्यकता होती है। लेखक "स्टालड" (stalled) कक्षाओं (जहाँ अलोचदार अप-स्कैटरिंग गतिज रूप से निषेध हो जाता है) और पूर्णतः ऊष्मीय रूप से संतुलित (fully thermalized) आबादी के बीच अंतर करते हैं। वे लूप-प्रेरित लोचदार प्रकीर्णन (स्पिन-स्वतंत्र और स्पिन-डिपेंडेंट) को शामिल करते हैं, जो छोटे क्रॉस-सेक्शन के बावजूद, सौर आयु ( $t_\odot \approx 4.57$ Gyr) के दौरान निरंतर शीतलन (secular cooling) को संचालित कर सकते हैं।
विलोपन और न्यूट्रिनो सिग्नल: विलोपन दर $\Gamma_A$ की गणना तात्कालिक संतुलन ( $\Gamma_A = C_\odot/2$ ) मानकर नहीं की जाती है। स्यूडो-डायराक मामले के लिए, वे दो-अवस्था प्रणाली के लिए युग्मित दर समीकरणों (coupled rate equations) को हल करते हैं, जिसमें $\Gamma_{12}$ (थर्मली असिस्टेड री-एक्साइटेशन दर) और $\Gamma_{21}$ (डी-एक्साइटेशन दर) को स्पष्ट रूप से गणना किया जाता है। परिणामी न्यूट्रिनो फ्लक्स को IceCube सीमाओं के साथ मैप किया जाता है, जिसमें हिग्सिनो के लिए $W^+W^-$ चैनल को प्रॉक्सी के रूप में और गैर-हिग्सिनो बेंचमार्क्स के लिए $b\bar{b}$ चैनल प्रॉक्सी (एक $WW$ स्ट्रेस टेस्ट के साथ) का उपयोग किया जाता है।

प्रमुख योगदान और परिणाम

थर्मल हिग्सिनो का बहिष्करण (Exclusion):
- LZ-पसंदीदा हिग्सिनो के लिए $\delta \approx 377$ keV है।
- लेखक पाते हैं कि सबसे रूढ़िवादी "नो-इलास्टिक-कूलिंग" परिदृश्य में भी (जहाँ अलोचदार अप-स्कैटरिंग $r \approx 0.2 R_\odot$ पर रुक जाता है), IceCube सीमाओं को संतुष्ट करने के लिए अधिकतम अनुमत विभाजन $\delta_{\text{lim}} \approx 512.5$ keV है।
- लूप-प्रेरित लोचदार शीतलन (SI और SD) को शामिल करने से आबादी थर्मल इक्विलिब्रियम ( $R_\chi \approx 0.0037 R_\odot$ ) की ओर बढ़ती है, जिससे बहिष्करण सीमा बढ़कर $\delta_{\text{lim}} \approx 565$ keV हो जाती है।
- निष्कर्ष: LZ घटना के लिए थर्मल हिग्सिनो व्याख्या, सौर कैप्चर बाधाओं द्वारा मजबूती से वर्जित है, क्योंकि आवश्यक $\delta$ सभी कूलिंग परिदृश्यों में IceCube बहिष्करण सीमा से काफी नीचे है।
स्यूडो-डायराक वेक्टर फर्मियन की व्यवहार्यता (Viability):
- बेंचमार्क ( $m_\chi = 1$ TeV, $\delta = 297$ keV) के लिए, सौर कैप्चर दर $C_\odot \approx 1.48 \times 10^{20} \text{ s}^{-1}$ है।
- हालांकि यह दर उच्च है, लेकिन विलोपन दो-अवस्था गतिज (two-state kinetics) द्वारा दबा दिया जाता है। विलोपन के लिए उत्तेजित अवस्था $\chi_2$ की आवश्यकता होती ( $\chi_1 \chi_2 \to q\bar{q}$ ), लेकिन $\chi_2$ की आबादी गतिशील रूप से बहुत कम है।
- थर्मल रूप से असिस्टेड री-एक्साइटेशन ( $\chi_1 \to \chi_2$ ) विस्तारित कक्षाओं पर बार-बार होता है ( $\Gamma_{12} t_\odot \gg 1$ ), लेकिन डी-एक्साइटेशन दर $\Gamma_{21}$ कई गुना अधिक तेज़ है ( $\Gamma_{21} \gg \Gamma_{12}$ )।
- परिणाम: अधिकतम विलोपन दर $\Gamma_A \simeq 4.1 \times 10^{14} \text{ s}^{-1}$ है, जो IceCube $b\bar{b}$ सीमा से लगभग $1.8 \times 10^5$ गुना कम है। यह मॉडल व्यवहार्य रहता है क्योंकि उत्तेजित अवस्था पर्याप्त रूप से संचित नहीं होती जिससे पता लगाने योग्य न्यूट्रिनो सिग्नल उत्पन्न हो सके।
न्यूट्रॉन-फिलिक SD प्रकीर्णन की व्यवहार्यता:
- $m_\chi = 1$ TeV और $\delta = 300$ keV के लिए, भारी ट्रेस आइसोटोप के साथ परिमित-तापमान कैप्चर $C_\odot \approx 3.98 \times 10^{17} \text{ s}^{-1}$ (जिसकी सीमा $(1.77–9.72) \times 10^{17} \text{ s}^{-1}$ है) प्रदान करता है।
- यहाँ तक कि संतुलन (इस मॉडल के लिए एक रूढ़िवादी ऊपरी सीमा) मानकर भी, विलोपन दर IceCube $b\bar{b}$ सीमा से $\sim 154$ गुना कम रहती है।
- परिणाम: मॉडल वर्जित नहीं है। ज़ेनॉन में मजबूत न्यूट्रॉन-स्पिन प्रतिक्रिया (जो LZ सिग्नल को संचालित करती है) और सूर्य में कमजोर कैप्चर (विषम-न्यूट्रॉन लक्ष्यों की कमी और गतिज थ्रेशोल्ड के कारण) के बीच का अंतर इस मॉडल को सुरक्षित रखता है।

महत्व और दावे
यह शोध पत्र दावा करता है कि सौर कैप्चर बाधाएं LZ उच्च-पुनः प्रहार घटना द्वारा प्रेरित अलोचदार डार्क मैटर मॉडलों के लिए एक शक्तिशाली विभेदक (discriminator) हैं।

बहिष्करण: अध्ययन स्पष्ट रूप से LZ घटना के कैनोनिकल फुल-डेंसिटी थर्मल हिग्सिनो व्याख्या को खारिज करता है। आवश्यक द्रव्यमान विभाजन सौर न्यूट्रिनो सीमाओं से बचने के लिए बहुत छोटा है, चाहे लूप-प्रेरित लोचदार शीतलन में कितनी भी अनिश्चितता क्यों न हो।
उत्तरजीविता (Survival): इसके विपरीत, शोध पत्र यह प्रदर्शित करता है कि सौर बाधाएं जनरली LZ उम्मीदवार के एंडोथर्मिक स्पष्टीकरण को वर्जित नहीं करती हैं। वे मॉडल, जहाँ विलोपन के लिए एक विशिष्ट उत्तेजित-अवस्था आबादी की आवश्यकता होती है (स्यूडो-डायराक) या जहाँ सौर कैप्चर लक्ष्य बेमेल (टारगेट मिसमैच) के कारण दबा हुआ है (न्यूट्रॉन-फिलिक SD), IceCube सीमाओं के भीतर जीवित रह सकते हैं।
पद्धतिगत अंतर्दृष्टि: लेखक इस बात पर जोर देते हैं कि अलोचदार डार्क मैटर के लिए सरल संतुलन धारणाएं ( $\Gamma_A = C_\odot/2$ ) अपर्याप्त हैं। इन मॉडलों की व्यवहार्यता दो-अवस्था प्रणाली की विस्तृत गतिज (री-एक्साइटेशन बनाम डी-एक्साइटेशन दरें) और सौर नाभिकों की थर्मल गति पर निर्भर करती है, जो उन गतिज चैनलों को फिर से खोल सकती है जो स्थिर-लक्ष्य सन्निकटन में बंद होते हैं।

यह निष्कर्ष निकलता है कि जबकि थर्मल हिग्सिनो खारिज हो गया है, अलोचदार डार्क मैटर का व्यापक वर्ग LZ घटना के लिए एक व्यवहार्य स्पष्टीकरण बना हुआ है, बशर्ते कि पार्टिकल फिजिक्स का कार्यान्वयन उन विशिष्ट स्थितियों से बचता हो जो सौर कोर में तीव्र ऊष्मीयकरण (thermalization) और कुशल विलोपन की ओर ले जाती हैं।

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