Search for charged-lepton-flavour violating $e\mu tq$ interactions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

जैसा कि हम इस ब्रह्मांड को समझते हैं, लेप्टॉन नामक कण तीन अलग-अलग परिवारों में आते हैं: इलेक्ट्रॉन, म्यूऑन और टाऊ। दशकों से, भौतिकी के मौलिक नियमों ने यह माना है कि ये परिवार सख्ती से अलग रहते हैं। एक इलेक्ट्रॉन कभी भी स्वतः म्यूऑन में नहीं बदलना चाहिए, ठीक वैसे ही जैसे एक म्यूऑन कभी इलेक्ट्रॉन नहीं बनना चाहिए। "फ्लेवर संरक्षण" (flavor conservation) का यह नियम मानक मॉडल (Standard Model) का एक आधार स्तंभ है, जो हमारे पास इस बात का सबसे अच्छा सिद्धांत है कि प्रकृति के सबसे छोटे निर्माण खंड कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। हालाँकि, हम जानते हैं कि यह नियम सभी कणों के लिए पूर्ण नहीं है। न्यूट्रिनो, जो इन आवेशित लेप्टॉन के रहस्यमयी संबंधी हैं, यात्रा के दौरान अपना फ्लेवर बदलते हुए जाने के लिए जाने जाते हैं, इस खोज ने नोबेल पुरस्कार भी जीता और सिद्ध किया कि प्रकृति हमारे सरलतम समीकरणों की तुलना में अधिक परिवर्तनशील है। यह भौतिकविदों के लिए एक लुभावना प्रश्न खड़ा करता है: यदि न्यूट्रिनो नियमों को तोड़ सकते हैं, तो क्या इन भारी, आवेशित कणों के संस्करण भी ऐसा कर सकते हैं? एक उच्च-ऊर्जा टकराव में एक इलेक्ट्रॉन और एक म्यूऑन को अपनी पहचान बदलते हुए देखने का एक भी उदाहरण मिलना नई भौतिकी के लिए एक निर्णायक प्रमाण होगा, जो उन बलों या कणों की ओर संकेत करेगा जो हमारी वर्तमान समझ से परे अस्तित्व रखते हैं।

इस दुर्लभ रूपांतरण की खोज के लिए, स्विट्जरलैंड में लार्ज हैड्रोन कोलाइडर में वैज्ञानिकों ने सबसे भारी ज्ञात मौलिक कण: टॉप क्वार्क की ओर अपना ध्यान केंद्रित किया। यह कण इतना विशाल है कि यह बनने के तुरंत बाद, एक सेकंड के बहुत छोटे हिस्से में गायब हो जाता है। एटलस (ATLAS) प्रयोग, जो टक्कर बिंदु के चारों ओर एक कैथेड्रल के आकार के विशाल डिटेक्टर के रूप में स्थित है, ने इन अरबों टकरावों को रिकॉर्ड किया है। हाल ही के एक विश्लेषण में, टीम ने 140 इन्वर्स फेम्टोबार्न (inverse femtobarns) के टकरावों से संबंधित डेटा की छानबीन की, जो सूचना का वह आयतन है जो डिटेक्टर द्वारा अपने दूसरे प्रमुख रन के दौरान एकत्र किए गए संपूर्ण डेटासेट का प्रतिनिधित्व करता है। वे एक बहुत ही विशिष्ट, असामान्य संकेत की तलाश कर रहे थे: एक टॉप क्वार्क, जो सामान्य कणों के मिश्रण में टूटने के बजाय, तीन आवेशित कणों—एक इलेक्ट्रॉन, एक म्यूऑन और अन्य कणों की एक जेट (jet)—में विभाजित हो जाता है, जबकि उसी घटना में दूसरा टॉप क्वार्क सामान्य व्यवहार करता है। एक ही टॉप क्वार्क से एक इलेक्ट्रॉन और एक म्यूऑन का एक साथ प्रकट होना आवेशित-लेप्टॉन-फ्लेवर उल्लंघन का एक स्पष्ट प्रमाण होगा।

शोधकर्ताओं ने इस तरह के उल्लंघन के होने के दो अलग-अलग तरीकों को देखकर अपनी खोज को आगे बढ़ाया। पहला परिदृश्य इसमें शामिल है जहाँ एक एकल टॉप क्वार्क सीधे लेप्टॉन जोड़े के साथ निर्मित होता है, जबकि दूसरा परिदृश्य दो टॉप क्वार्क के निर्माण से संबंधित है, जहाँ उनमें से एक इस निषेध तरीके से क्षय होता है। क्योंकि जिस संकेत की वे तलाश कर रहे हैं, उसके अत्यंत मंद होने की उम्मीद है, जो सामान्य पृष्ठभूमि घटनाओं के पहाड़ के नीचे दबा हुआ है, टीम ने सिग्नल को शोर से अलग करने के लिए परिष्कृत कंप्यूटर एल्गोरिदम का उपयोग किया। ये एल्गोरिदम एक अत्यधिक प्रशिक्षित फिल्टर की तरह कार्य करते थे, जो उन सूक्ष्म पैटर्न को पहचानने के लिए सीखते थे जो ऊर्जा और कणों की दिशा में यह संकेत देते थे कि एक टॉप क्वार्क ने असामान्य व्यवहार किया है। उन्होंने ठीक तीन आवेशित कणों—इलेक्ट्रॉन या म्यूऑन—और कम से कम एक जेट (debris) वाली घटनाओं पर ध्यान केंद्रित किया, और किसी भी ऐसी घटना को सावधानीपूर्वक हटाया जो सामान्य पृष्ठभूमि प्रक्रियाओं, जैसे कि Z बोसॉन के क्षय जैसा दिखता हो, जो सिग्नल की नकल कर सकता है।

अपने विश्लेषण को चलाने के बाद, टीम को उस आवेशित-लेप्टॉन-फ्लेवर उल्लंघन का कोई प्रमाण नहीं मिला जिसकी वे तलाश कर रहे थे। उनके द्वारा देखे गए घटनाओं की संख्या ने मानक मॉडल के अनुमानों से पूरी तरह मेल खाया, जिसमें डेटा में कोई अजीब अतिरिक्त उभार दिखाई नहीं दिया। यह शून्य परिणाम, अपने आप में, एक महत्वपूर्ण खोज है। यह वैज्ञानिकों को इस बात की सख्त सीमाएँ निर्धारित करने की अनुमति देता है कि यह निषेधित क्षय संभवतः कितनी बार हो सकता है। उन्होंने गणना की कि यदि ऐसी प्रक्रिया वास्तव में होती है, तो यह अविश्वसनीय रूप से दुर्लभ होनी चाहिए, जो हर कुछ सौ मिलियन टॉप क्वार्क क्षय में से एक बार से भी कम बार होती है। विशेष रूप से, उन्होंने निर्धारित किया कि एक टॉप क्वार्क के एक इलेक्ट्रॉन, एक म्यूऑन और एक अप-क्वार्क (up-quark) में क्षय होने की संभावना प्रति बिलियन छह से कम है, जबकि एक इलेक्ट्रॉन, एक म्यूऑन और एक चार्म-क्वार्क (charm-quark) में क्षय होने की संभावना दस मिलियन में तीन से कम है।

इन सीमाओं को उन नए बलों की सैद्धांतिक "शक्ति" पर प्रतिबंध के रूप में अनुवादित किया जाता है, जो इस उल्लंघन को होने के लिए आवश्यक होंगे। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस प्रभाव को उत्पन्न करने में सक्षम कोई भी नई भौतिकी या तो अत्यंत कमजोर है या ऐसे ऊर्जा स्तरों पर मौजूद है जो वर्तमान कोलाइडर की पहुंच से बहुत दूर है। यह अध्ययन उन व्यापक सैद्धांतिक मॉडलों को प्रभावी रूप से खारिज करता है जिन्होंने भविष्यवाणी की थी कि ये उल्लंघन वर्तमान डेटा के साथ देखे जाने के लिए पर्याप्त सामान्य होंगे। यद्यपि खोज में उन्हें उम्मीद के मुताबिक नया कण या बल नहीं मिला, लेकिन इसने सफलतापूर्वक उस मानचित्र को संकुचित कर दिया है जहाँ वह नई भौतिकी छिपी हो सकती है। सिग्नल की अनुपस्थिति इस बात की पुष्टि करती है कि मानक मॉडल इस क्षेत्र में सुदृढ़ बना हुआ है, लेकिन इसने भविष्य के प्रयोगों के लिए भी मंच तैयार किया है जो प्रकृति के नियमों में दरार खोजने के लिए और भी अधिक शक्तिशाली मशीनों के साथ निरंतर खोज जारी रखेंगे।