Constraints on the Higgs boson total width from on-shell signal-background interference in the $H\to\gamma\gamma$ decay channel with $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

उप-परमाणु दुनिया के केंद्र में, हिग्स बोसोन नामक एक कण एक अद्वितीय भूमिका निभाता है। 2012 में खोजा गया यह कण उस क्षेत्र (फील्ड) का भौतिक प्रकटीकरण है जो अन्य मूलभूत कणों को द्रव्यमान प्रदान करता है। जबकि वैज्ञानिकों ने एक दशक से अधिक समय इस बात को मापने में बिताया है कि यह कण दूसरों के साथ कैसे परस्पर क्रिया करता है, इसका एक सबसे बुनियादी गुण अभी भी मायावी बना हुआ है: इसकी कुल क्षय चौड़ाई (total decay width)। कण भौतिकी की भाषा में, यह चौड़ाई उन सभी तरीकों का योग है जिनसे हिग्स बोसोन अन्य कणों में टूट सकता है। मानक मॉडल (Standard Model), जो भौतिकी का प्रचलित सिद्धांत है, के अनुसार, हिग्स बोसोन को बहुत विशिष्ट और अनुमानित तरीकों से क्षय होना चाहिए, जिसके परिणामस्वरूप कुल चौड़ाई केवल 4.1 मिलियन इलेक्ट्रॉनवोल्ट होगी। हालाँकि, यदि हिग्स बोसोन कोई रहस्य छिपाए हुए है—शायद उन अदृश्य कणों में क्षय हो रहा है जिन्हें हमारे डिटेक्टर नहीं देख सकते—तो यह कुल चौड़ाई अधिक होगी। इसलिए, इस चौड़ाई को मापना इस बात का सीधा परीक्षण है कि क्या हिग्स बोसोन मानक मॉडल के लिए एक सटीक मिलान है या नई, अनडिस्कवर्ड भौतिकी का एक द्वार है।

इस चौड़ाई को मापने में चुनौती यह है कि हिग्स बोसोन अविश्वसनीय रूप से अल्पजीवी है। यह इतने क्षणिक समय के लिए अस्तित्व में रहता है कि इसकी प्राकृतिक चौड़ाई सबसे शक्तिशाली डिटेक्टरों द्वारा भी सीधे देखे जाने के लिए बहुत संकीर्ण है। यह एक तेज गति वाली ट्रेन की धुंधली तस्वीर देखकर मानव बाल की मोटाई मापने की कोशिश करने जैसा है; माप का धुंधलापन स्वयं वस्तु की तुलना में हजारों गुना अधिक चौड़ा है। वर्षों से, भौतिकविदों ने यह अनुमान लगाने की कोशिश की है कि हिग्स बोसोन सामान्य ऊर्जा पर कितनी बार दिखाई देता है बनाम बहुत उच्च, दुर्लभ ऊर्जाओं पर यह कितनी बार दिखाई देता है, इसकी तुलना करके अप्रत्यक्ष रूप से चौड़ाई का पता लगाया जाए। यह विधि काम करती है, लेकिन यह इस धारणा पर निर्भर करती है कि हिग्स बोसोन उच्च ऊर्जाओं पर उसी तरह व्यवहार करता है जैसे वह सामान्य ऊर्जाओं पर करता है। यदि वह धारणा गलत है, तो माप भ्रामक हो सकता है।

लार्ज हैड्रोन कोलाइडर में ATLAS डिटेक्टर के साथ काम करने वाली भौतिकविदों की एक टीम ने अब एक अलग दृष्टिकोण अपनाया है, जिसमें ऐसी धारणाओं की आवश्यकता नहीं है। उन्होंने एक विशिष्ट, सूक्ष्म प्रभाव पर ध्यान केंद्रित किया जो तब होता है जब हिग्स बोसोन दो फोटॉन में क्षय होता है। क्वांटम दुनिया में, कण तरंगों की तरह व्यवहार कर सकते हैं। जब हिगस्पोसोन निर्मित होता है और तुरंत दो फोटॉन में क्षय होता है, तो यह एक ऐसी तरंग उत्पन्न करता है जो फोटॉन की पृष्ठभूमि तरंगों के साथ ओवरलैप होती है जो अन्य, गैर-हिग्स प्रक्रियाओं द्वारा निर्मित होते हैं। जिस तरह दो ध्वनि तरंगें मिलकर एक तेज़ या धीमी ध्वनि पैदा कर सकती हैं, ये कण तरंगें एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप (interference) करती हैं। यह हस्तक्षेप दो फोटॉनों के द्रव्यमान वितरण के आकार को विकृत कर देता है, जिससे सिग्नल का शिखर (peak) थोड़ा एक तरफ खिसक जाता है। इस विरूपण का आकार सीधे तौर पर हिग्स बोसोन की कुल चौड़ाई पर निर्भर करता है। इस विरूपण का अध्ययन करके, शोधकर्ता बिना यह अनुमान लगाए कि कण विभिन्न ऊर्जाओं पर कैसा व्यवहार करता है, चौड़ाई को माप सकते हैं।

2015 और 2018 के बीच दर्ज किए गए प्रोटॉन टकरावों के डेटा का उपयोग करते हुए, टीम ने 140 इन्वर्स फेमटोबार्न से अधिक टकराव घटनाओं का विश्लेषण किया। इस विशाल डेटासेट ने उन्हें अत्यधिक सटीकता के साथ फोटॉन युग्मों के वितरण को देखने की अनुमति दी। उन्होंने फोटॉन युग्मों के संवेग (momentum) के आधार पर डेटा को दो समूहों में विभाजित किया, जो हस्तक्षेप प्रभाव को अलग करने में मदद करने वाली एक तकनीक है। शोधकर्ताओं ने फिर वास्तविक डेटा की कंप्यूटर सिमुलेशन के साथ तुलना की, जो मॉडल करता था कि यदि हिग्स बोसोन की चौड़ाई अलग होती तो वितरण कैसा दिखता। उन्होंने पाया कि डेटा मानक मॉडल के पूर्वानुमान के अनुरूप था, जो किसी छिपे हुए, अदृश्य क्षय मोड का कोई प्रमाण नहीं दिखाता जिसने चौड़ाई को व्यापक बनाया होता।

इस अध्ययन ने हिग्स बोसोन की कुल चौड़ाई पर एक नई सीमा निर्धारित की। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि चौड़ाई 95 प्रतिशत विश्वास स्तर (confidence level) पर 307 मिलियन इलेक्ट्रॉनवोल्ट से कम है। इसका अर्थ यह है कि यदि चौड़ाई इससे अधिक होती, तो फोटॉन डेटा में विरूपण इतना स्पष्ट होता कि उसे अनदेखा करना असंभव होता। अपेक्षित सीमा, जो उस प्रयोग के आधार पर थी जिसे डेटा पूर्ण होने पर देख पाना चाहिए था, 258 मिलियन इलेक्ट्रॉनवोल्ट थी। हालांकि ये संख्याएँ मानक मॉडल के 4.1 मिलियन इलेक्ट्रॉनवोल्ट के पूर्वानुमान से अभी भी लगभग 75 गुना बड़ी हैं, फिर भी यह माप महत्वपूर्ण है क्योंकि यह एक प्रत्यक्ष, 'ऑन-शेल' अवलोकन है जो कण के कपलिंग्स के बारे में सैद्धांतिक धारणाओं पर निर्भर नहीं करता है। यह हिग्स बोसोन के गुणों की जांच करने का एक पूरक तरीका प्रदान करता है, जो पिछले अध्ययनों में उपयोग की जाने वाली विधियों से स्वतंत्र है।

इस परिणाम की सटीकता वर्तमान में हस्तक्षेप प्रभाव और हिग्स बोसोन के सटीक द्रव्यमान की सैद्धांतिक गणनाओं में अनिश्चितताओं द्वारा सीमित है। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि अनिश्चितता का सबसे बड़ा स्रोत सिद्धांत पक्ष से आता है, विशेष रूप से यह गणना कि हस्तक्षेप कैसे व्यवहार करता है। यह सुझाव देता है कि भविष्य में सैद्धांतिक भौतिकी में सुधार उतना ही महत्वपूर्ण होगा जितना कि अधिक डेटा एकत्र करना। इन सीमाओं के बावजूद, यह पद्धति स्वयं एक बड़ी उपलब्धि है। यह सिद्ध करता है कि वैज्ञानिक क्वांटम तरंगों के सूक्ष्म हस्तक्षेप का उपयोग करके एक ऐसे गुण को माप सकते हैं जो अन्यथा प्रायोगिक रिज़ॉल्यूशन की सीमाओं द्वारा छिपा हुआ है। यह मानक मॉडल के परीक्षण के लिए एक नया मार्ग खोलता है, जो एक ऐसा तरीका प्रदान करता है जो अन्य तकनीकों के समान धारणाओं पर निर्भर नहीं है।

निष्कर्ष पुष्टि करते हैं कि, माप की वर्तमान सीमाओं के भीतर, हिग्स बोसोन वैसा ही व्यवहार करता है जैसा मानक मॉडल भविष्यवाणी करता है। इसमें कोई संकेत नहीं है कि यह अदृश्य कणों या अन्य विलक्षण अवस्थाओं में क्षय हो रहा है जो इसकी कुल क्षय चौड़ाई को व्यापक बनाता। हालांकि यह माप अभी तक सभी संभावित नई भौतिकी को खारिज करने के लिए पर्याप्त सटीक नहीं है, फिर भी यह एक मजबूत, धारणा-मुक्त प्रतिबंध स्थापित करता है। जैसे-जैसे सैद्धांतिक गणनाएं सुधरेंगी और अधिक डेटा एकत्र किया जाएगा, यह तकनीक और भी शक्तिशाली हो जाएगी, जो संभावित रूप से मानक मॉडल में पहली दरारें प्रकट कर सकती है या अभूतपूर्व स्पष्टता के साथ इसकी मजबूती की पुष्टि कर सकती है। फिलहाल के लिए, हिग्स बोसोन एक रहस्य बना हुआ है इस अर्थ में कि इसकी चौड़ाई अभी तक एक पैमाने की सटीकता के साथ नहीं मापी गई है, लेकिन क्वांटम परिदृश्य पर यह जो छाया डालता है, उसका मानचित्र एक नए प्रकार के प्रकाश के साथ तैयार किया गया है।