Test of lepton flavor universality with and decays at Belle II
Belle II डिटेक्टर द्वारा एकत्रित 387 मिलियन क्षय (decays) का उपयोग करते हुए, यह अध्ययन लेप्टॉन फ्लेवर यूनिवर्सलिटी अनुपातों और का सबसे सटीक हैड्रोनिक-टैगिंग निर्धारण प्रस्तुत करता है, जो मानक मॉडल भविष्यवाणियों और पिछले मापों दोनों के अनुरूप परिणाम प्रदान करता है।
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उपपरमाणु दुनिया में, प्रकृति समानता के एक सख्त नियम का पालन करती करती प्रतीत होती है जिसे लेप्टॉन फ्लेवर यूनिवर्सलिटी (lepton flavor universality) कहा जाता है। यह सिद्धांत सुझाव देता है कि ब्रह्मांड के मौलिक बल तीन विशिष्ट प्रकार के कणों—इलेक्ट्रॉन, म्यूऑन और ताऊ कणों—के साथ बिल्कुल एक जैसा व्यवहार करते हैं, जो केवल उनके द्रव्यमान में भिन्न होते हैं। कल्पना कीजिए कि अलग-अलग वजन के तीन धावक एक दौड़ में प्रतिस्पर्धा कर रहे हैं जहाँ हवा का प्रतिरोध सभी के लिए समान है; यदि हवा मौलिक बल का प्रतिनिधित्व करती है, तो नियम कहता है कि हवा प्रत्येक धावक को उनके द्रव्यमान के सापेक्ष समान शक्ति से धकेलेगी, चाहे वे कोई भी हों। दशकों तक, भौतिकविदों ने इस नियम का परीक्षण किया है, और यह लगभग हर प्रयोग में खरा उतरा है। हालाँकि, बी मेसॉन (B mesons) नामक कणों के क्षय (decay) में परेशानी का एक निरंतर संकेत उभरा है। जब ये कण टूटते हैं, तो वे कभी-कभी हल्के इलेक्ट्रॉन या म्यूऑन के बजाय एक ताऊ कण का उत्पादन करते हैं। शुरुआती मापों से पता चला कि यह भौतिकी के मानक नियमों की तुलना में अधिक बार होता है, जो यह संकेत देता है कि ताऊ कण को किसी छिपे हुए बल या एक नए कण से विशेष बढ़ावा मिल रहा है जो वर्तमान सिद्धांतों द्वारा नहीं समझा जा सकता है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने जापान में सुपरकेईबीके (SuperKEKB) कोलाइडर में बेल II (Belle II) डिटेक्टर का उपयोग करके इस पहेली पर एक ताज़ा, अत्यधिक सटीक नज़र डाली है। उन्होंने इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन के बीच लगभग चार सौ मिलियन टकरावों के डेटा का विश्लेषण किया, जिसने बी मेसॉन की एक विशाल संख्या बनाई। उन विशिष्ट घटनाओं को अलग करने के लिए जिनकी उन्हें आवश्यकता थी, वैज्ञानिकों ने 'हैड्रोनिक टैगिंग' (hadronic tagging) नामक तकनीक का उपयोग किया। इसमें एक टकराव से उत्पन्न दो बी मेसॉन में से एक को उसके सभी क्षय उत्पादों को अन्य कणों के एक जटिल स्प्रे में ट्रैक करके पूरी तरह से पुनर्गठित करना शामिल था। एक बार जब इस "टैग" कण की पहचान हो गई, तो शोधकर्ताओं को पता चल गया कि घटना में दूसरा बी मेसन क्या होना चाहिए था, जिससे वे अत्यधिक सटीकता के साथ उसके क्षय पर ध्यान केंद्रित कर सके। उन्होंने उन मामलों की तलाश की जहाँ यह दूसरा बी मेसन एक चार्म मेसन (charm meson) और या तो एक ताऊ कण या एक हल्के लेप्टॉन में क्षय हुआ, जबकि साथ ही न्यूट्रिनो जैसे अदृश्य कण भी उत्पन्न हुए जो बिना किसी निशान के ऊर्जा लेकर चले जाते हैं।
इस प्रयोग में चुनौती यह थी कि न्यूट्रिनो को सीधे नहीं देखा जा सकता था। इसके बजाय, टीम ने सभी दृश्य कणों का हिसाब लगाने के बाद डिटेक्टर में बची हुई ऊर्जा को मापा और गायब हिस्सों के द्रव्यमान की गणना की। हजारों घटनाओं में इस गायब ऊर्जा और द्रव्यमान के पैटर्न का अध्ययन करके, वे भारी ताऊ कण वाले क्षय और हल्के इलेक्ट्रॉन या म्यूऑन वाले क्षय के बीच अंतर कर सके। विश्लेषण से पता चला कि ताऊ कणों के उत्पादन करने वाले क्षय और हल्के लेप्टॉन के उत्पादन करने वाले क्षय का अनुपात भौतिकी के मानक मॉडल (standard model) के अनुमानों के अनुरूप था। विशेष रूप से, उन्होंने D* मेसन से जुड़े क्षय के लिए 0.242 का अनुपात मापा, जिसमें त्रुटि का एक छोटा मार्जिन था, और D मेसन के लिए 0.439 का अनुपात मापा। ये संख्याएँ काफी हद तक वही हैं जो मानक मॉडल उम्मीद करता है, जो यह सुझाव देती है कि उल्लंघन के शुरुआती संकेत भौतिकी के नए सिद्धांतों के बजाय सांख्यिकीय उतार-चढ़ाव या पिछले मापों की अनिश्चितताओं के कारण हो सकते हैं।
यह परिणाम महत्वपूर्ण है क्योंकि यह हैड्रोनिक टैगिंग पद्धति का उपयोग करके इन अनुपातों का अब तक का सबसे सटीक निर्धारण प्रस्तुत करता है। जबकि ये माप मानक मॉडल के अनुरूप हैं, वे नए भौतिक विज्ञान की संभावना को पूरी तरह से खारिज नहीं करते हैं, क्योंकि अनिश्चितताएं अभी भी इतनी बड़ी हैं कि कुछ विचलन की अनुमति देती हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि उनके परिणाम D मेसन अनुपात के लिए दो मानक विचलन से कम की सीमा के भीतर और D* मेसन अनुपात के लिए और भी करीब से मानक मॉडल के साथ सहमत हैं। जब दुनिया भर के अन्य मापों के साथ जोड़ा जाता है, तो डेटा अभी भी मानक मॉडल के साथ एक मामूली तनाव दिखाता है, लेकिन बेल II का यह नया, अधिक सटीक माप तस्वीर को स्पष्ट करने में मदद करता है। यह सुझाव देता है कि यदि नया भौतिक विज्ञान मौजूद है, तो वह पहले की तुलना में अधिक सूक्ष्म तरीके से छिपा हुआ है, या पहले के विसंगतियां वास्तव में केवल सांख्यिकीय शोर थीं। यह कार्य सटीक माप की शक्ति के प्रमाण के रूप में खड़ा है, जहाँ ज्ञात नियमों की पुष्टि भी अज्ञात की खोज को सीमित करने में मदद करती है।
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