Measurements of the inclusive Branching fractions of the $D_s^+ \to \eta (\eta^\prime) X$ decays

उपपरमाणु दुनिया में, पदार्थ क्वार्क नामक मौलिक कणों के एक छोटे परिवार से बना है। जब ये क्वार्क आपस में जुड़ते हैं, तो वे मेसॉन (meson) के रूप में जाने जाने वाले अल्पकालिक कण बनाते हैं। इनमें से एक कण, $D^+_s$ मेसॉन, एक चार्म क्वार्क और एक स्ट्रेंज क्वार्क का विशिष्ट संयोजन है। क्योंकि यह अस्थिर है, यह लंबे समय तक नहीं टिकता; यह जल्दी ही अन्य, हल्के कणों में टूट जाता है। भौतिक विज्ञानी इन टूटने की प्रक्रियाओं, जिन्हें क्षय (decay) कहा जाता है, का अध्ययन करते हैं ताकि यह समझा जा सके कि पदार्थ कैसे रूपांतरित होता है। वैज्ञानिक यह मापकर कि $D^+_s$ मेसॉन कितनी बार विशिष्ट कणों के समूहों में बदलता है, यह जांच सकते हैं कि क्या ब्रह्मांड के उनके वर्तमान सिद्धांत पूर्ण हैं। यदि संख्याएँ पूरी तरह से मेल खाती हैं, तो सिद्धांत सही सिद्ध होता है। यदि अनुमान और देखे गए परिणामों के बीच कोई अंतर है, तो यह छिपी हुई प्रक्रियाओं या खोजे जाने वाले अज्ञात कणों की ओर संकेत करता है।

बीजिंग में इंस्टीट्यूट ऑफ हाई एनर्जी फिजिक्स में BESIII डिटेक्टर का उपयोग करने वाले एक शोधकर्ता ने $D^+_s$ मेसॉन के क्षय पर एक ताज़ा, उच्च-परिशुद्धता (high-precision) संबंधी दृष्टि डाली है। उन्होंने दो विशिष्ट परिणामों पर ध्यान केंद्रित किया: वे मामले जहाँ क्षय एटा (eta) मेसॉन नामक कण उत्पन्न करता है, और वे मामले जहाँ यह उसके थोड़े भारी 'कजिन' एटा-प्राइम (eta-prime) मेसॉन को उत्पन्न करता है। ये दोनों कण विशेष हैं क्योंकि वे $D^+_s$ के एक बड़े हिस्से के क्षय में दिखाई देते हैं, जो ऐसे सभी आयोजनों के एक तिहाई से अधिक का हिस्सा हैं। हालाँकि, इन क्षयों के पिछले मापन इतने सटीक नहीं थे कि यह बता सकें कि क्या कण के टूटने के ज्ञात तरीके ही एकमात्र तरीके थे। नया अध्ययन इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन टकरावों से एकत्र किए गए डेटा की एक विशाल मात्रा का उपयोग करके इन क्षय दरों को पहले की तुलना में बहुत अधिक सटीकता के साथ मापता है।

शोधकर्ता ने 4.128 और 4.226 GeV के बीच टकराव ऊर्जाओं पर एकत्र किए गए 7.33 इनवर्स फेमटोबार्न (inverse femtobarns) की एकीकृत ल्यूमिनोसिटी (integrated luminosity) के अनुरूप डेटा का विश्लेषण किया। इन दुर्लभ क्षयों को खोजने के लिए, उन्होंने "डबल-टैग" (double-tag) नामक एक चतुर तकनीक का उपयोग किया। उनके प्रयोग में, इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन टकराकर विपरीत दिशाओं में चलते हुए $D^+_s$ मेसॉन के जोड़े बनाते हैं। शोधकर्ता ने जोड़े में से एक मेसॉन का पूर्ण पुनर्निर्माण (reconstruct) किया, जिससे यह पहचाना गया कि वह वास्तव में कैसे क्षय हुआ। जोड़े के एक हिस्से की पहचान करने की इस क्रिया को "टैगिंग" (tagging) कहा जाता है। चूंकि दोनों मेसॉन एक साथ उत्पन्न होते हैं, इसलिए पहले एक की विशेषताओं को जानने से वैज्ञानिक दूसरे मेसॉन के अस्तित्व और गुणों का अनुमान लगा सकते हैं, भले ही वे इसके द्वारा उत्पन्न होने वाले हर एक कण को न देख पाएं। दूसरे मेसॉन से बचे हुए मलबे (debris) को देखकर, वे गिन सके कि इसने एटा या एटा-प्राइम कण कितनी बार उत्पन्न किए, चाहे उनके साथ अन्य कण भी उत्पन्न हुए हों।

गिनती का यह अभ्यास सटीक है। शोधकर्ता ने पाया कि $D^+_s$ मेसॉन लगभग 30.72 प्रतिशत समय एटा कण और अन्य मलबे में क्षय होता है। एटा-प्राइम कण के लिए, यह दर 12.30 प्रतिशत है। ये संख्याएँ बहुत कम त्रुटि मार्जिन के साथ आती हैं, जो अन्य प्रयोगों द्वारा किए गए पिछले मापों की तुलना में परिशुद्धता में एक महत्वपूर्ण सुधार का प्रतिनिधित्व करती हैं। नया डेटा पिछले निष्कर्षों के अनुरूप है, जो यह पुष्टि करता है कि इन क्षयों का मूल चित्र सही है, लेकिन बहुत कम त्रुटि सीमा (error bars) इन क्षयों के अंतर्निहित भौतिकी के अधिक कठोर परीक्षण की अनुमति देती है।

जब शोधकर्ता ने उन सभी ज्ञात, विशिष्ट तरीकों को जोड़ा जिनसे $D^+_s$ मेसॉन एटा कण में क्षय होता है, तो उन्हें लगभग 25.40 प्रतिशत का कुल योग मिला। उनका नया मापा गया कुल दर, 30.72 प्रतिशत, इस योग से अधिक है। यह अंतर यह सुझाव देता है कि संभवतः $D^+_s$ के एटा कण में क्षय होने के अन्य, अनदेखे तरीके हैं जिन्हें अभी तक पहचाना नहीं गया है। यह अंतर छोटा है लेकिन सांख्यिकीय रूप से सार्थक है, जो छिपे हुए क्षय मोड की ओर संकेत करता है जिन्हें भविष्य के प्रयोगों को खोजना पड़ सकता है। इसके विपरीत, जब उन्होंने एटा-प्राइम के लिए समान गणना की, तो ज्ञात क्षय मोड 11.97 प्रतिशत थे, जो उनके नए मापन 12.30 प्रतिशत के लगभग समान हैं। यह सहमति बताती है कि एटा-प्राइम के लिए, वैज्ञानिकों ने संभवतः पहले ही वे लगभग सभी तरीके खोज लिए हैं जिनसे यह $D^+_s$ क्षय में दिखाई देता है।

ये निष्कर्ष कण भौतिकी के व्यापक क्षेत्र के लिए एक महत्वपूर्ण संदर्भ के रूप में कार्य करते हैं। कण कितनी बार क्षय होते हैं, इसकी सटीक माप उन प्रयोगों को कैलिब्रेट करने के लिए आवश्यक है जो भारी कणों, जैसे कि बॉटम क्वार्क वाले कणों का अध्ययन करते हैं। इन सटीक संख्याओं को प्रदान करके, BESIII सहयोग अन्य अनुसंधान क्षेत्रों में अनिश्चितताओं को कम करने में मदद करता है। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि जबकि एटा-प्राइम के लिए ज्ञात क्षय पथ अच्छी तरह से समझे गए हैं, एटा कण के लिए कहानी अभी समाप्त नहीं हुई है। संख्याओं में यह छोटा लेकिन ध्यान देने योग्य अंतर खोज के एक नए मोर्चे की ओर इशारा करता है, जो उपपरमाणु दुनिया के अनदेखे व्यवहारों की जांच के लिए आमंत्रित करता है।