Search for rare charm decays at BESIII

ब्रह्मांड नियमों के एक सेट पर बना है जिसे भौतिक विज्ञानी 'स्टैंडर्ड मॉडल' कहते हैं। यह इस बात का एक सफल मानचित्र है कि पदार्थ और ऊर्जा कैसे व्यवहार करते हैं, फिर भी यह कुछ सबसे बड़े अनसुलझे प्रश्नों को छोड़ देता है। पदार्थ से अधिक पदार्थ क्यों है? वह डार्क मैटर क्या है जो आकाशगंगाओं को एक साथ थामे रखता है? उत्तर खोजने के लिए, वैज्ञानिक केवल नए, भारी कणों की तलाश नहीं करते; वे मौजूदा मानचित्र में दरारों की भी तलाश करते हैं। वे ऐसी प्रक्रियाओं की खोज करते हैं जो वर्तमान नियमों द्वारा इतनी दुर्लभ या इतनी वर्जित हैं कि एक भी उदाहरण मिलना यह संकेत देगा कि कुछ नया हो रहा है। इन दरारों को खोजने के लिए सबसे आशाजनक स्थानों में से एक 'चार्म क्वार्क्स' (charm quarks) की दुनिया है। ये भारी, अस्थिर कण हैं जो तेजी से क्षय (decay) होते हैं, लेकिन जब वे ऐसा करते हैं, तो वे सममिति (symmetry) के सूक्ष्म उल्लंघन या उनकी पहचान में अप्रत्याशित परिवर्तनों को प्रकट कर सकते हैं। इन अरबों क्षयों का अध्ययन करके, शोधकर्ता हमारे ज्ञान की सीमाओं का परीक्षण कर सकते हैं और देख सकते हैं कि क्या ब्रह्मांड बिल्कुल वैसा ही व्यवहार करता है जैसा स्टैंडर्ड मॉडल भविष्यवाणी करता है, या इसमें कोई ऐसा रहस्य छिपा है जिसके लिए एक नए सिद्धांत की आवश्यकता है।

इस खोज के केंद्र में BESIII प्रयोग है, जो बीजिंग, चीन में स्थित एक विशाल डिटेक्टर है। यह एक स्टोरेज रिंग के भीतर स्थित है जहाँ इलेक्ट्रॉनों और उनके प्रतिद्रव्य (antimatter) समकक्षों, यानी पॉज़िट्रॉन की बीम आपस में टकराती हैं। ये टकराव एक स्वच्छ वातावरण बनाते हैं जहाँ नए कण जन्म लेते हैं और तुरंत क्षय हो जाते हैं। शोधकर्ताओं ने डेटा का एक विशाल संग्रह एकत्र किया है, जिसमें 'चारमोनियम' (charmonium) नामक विशिष्ट कणों के विश्व के सबसे बड़े नमूने शामिल हैं, जो एक चार्म क्वार्क और एक एंटी-चार्म क्वार्क के बंधे हुए रूप हैं। इस विशाल डेटासेट के साथ, टीम ने कई प्रकार के दुर्लभ क्षयों की एक व्यापक समीक्षा की है, और उन संकेतों की तलाश की है जो भौतिकी के ऐसे रूपों को दर्शाते हैं जो स्टैंडर्ड मॉडल के अनुसार नहीं होने चाहिए, या इतने दुर्लभ होने चाहिए कि वे प्रभावी रूप से अदृश्य हैं।

पहला जांच क्षेत्र चारमोनियम का 'वीक डिके' (weak decay) है। स्टैंडर्ड मॉडल में, इन कणों के मजबूत (strong) या विद्युत चुम्बकीय बलों के माध्यम से क्षय होने की उम्मीद की जाती है, लेकिन इनके 'वीक फोर्स' (कमजोर बल) के माध्यम से क्षय होने की एक बहुत ही मामूली, लगभग असंभव संभावना मौजूद है, जो रेडियोधर्मिता के लिए जिम्मेदार है। शोधकर्ताओं ने विशिष्ट पैटर्न की तलाश की जहाँ एक चारमोनियम कण अन्य कणों के जोड़े, जैसे कि एक न्यूट्रल D मेसॉन और एक K स्टार मेसॉन में बदल जाता है। इन दुर्लभ घटनाओं को खोजने के लिए, उन्होंने एक चतुर तकनीक का उपयोग किया: उन्होंने क्षय के एक उत्पाद को इस तरह से पुनर्गठित किया जिससे साधारण कण टकरावों के अत्यधिक बैकग्राउंड शोर को छांटा जा सके। डेटा का विश्लेषण करने के बाद, उन्हें इन 'वीक डिके' के कोई प्रमाण नहीं मिले। इसके बजाय, उन्होंने इस बात की एक नई, बहुत सख्त सीमा निर्धारित की कि ये घटनाएं कितनी बार हो सकती हैं, जिससे इस घटना के होने की अनुमति दी गई सीमा को दस मिलियन में एक के स्तर तक नीचे धकेल दिया गया। यह परिणाम यह सिद्ध नहीं करता कि क्षय होता है, बल्कि यह उन कई सिद्धांतों को खारिज करता है जिन्होंने भविष्यवाणी की थी कि यह अधिक सामान्य होगा।

इसके बाद, टीम ने 'फ्लेवर-चेंजिंग न्यूट्रल करंट्स' (flavor-changing neutral currents) की खोज की। कण भौतिकी की भाषा में, यह उस प्रक्रिया का वर्णन करता है जहाँ एक क्वार्क अपना प्रकार, या "फ्लेवर", बिना अपने विद्युत आवेश को बदले बदल लेता है। स्टैंडर्ड मॉडल इसे होने की अनुमति देता है, लेकिन केवल जटिल, अप्रत्यक्ष लूप के माध्यम से, जो इसे अत्यंत दुर्लभ बनाता है। शोधकर्ताओं ने उन क्षयों की जांच की जहाँ एक चारमोनियम कण एक न्यूट्रल D मेसॉन और म्यूऑन (muon) के जोड़े, या एक न्यूट्रल D मेसएम और एक फोटॉन में बदल जाता है। उन्होंने एक विशिष्ट ऊर्जा दहलीज (energy threshold) पर उत्पादित D मेसॉन वाले समान क्षयों की भी जांच की जहाँ उन्हें जोड़ों में बनाया जाता है। जोड़े में से एक कण को चिह्नित करके, वे दूसरे का उच्च सटीकता के साथ अध्ययन कर सके। कोई संकेत नहीं मिला। इन खोजों द्वारा निर्धारित सीमाएं अब उस स्तर के करीब पहुंच रही हैं जहाँ स्टैंडर्ड मॉडल भविष्यवाणी करता है कि ये घटनाएं होनी चाहिए, जिसका अर्थ है कि यदि नई भौतिकी इन क्षयों में छिपी है, तो वह बहुत सूक्ष्मता से काम कर रही है।

खोज का विस्तार 'चार्ज्ड-लेप्टॉन फ्लेवर वायलेशन' (charged-lepton flavor violation) तक भी किया गया। जबकि हम जानते हैं कि न्यूट्रिनो अपना फ्लेवर बदल सकते हैं, स्टैंडर्ड मॉडल भविष्यवाणी करता है कि इलेक्ट्रॉन और म्यूऑन जैसे भारी कण कभी भी क्षय में अपनी पहचान नहीं बदलते। एक इलेक्ट्रॉन का म्यूऑन में बदलना, या इसके विपरीत, नई भौतिकी का एक स्पष्ट संकेत होगा। शोधकर्ताओं ने इसे कई स्थानों पर देखा: एक 'साई' (psi) कण के इलेक्ट्रॉन और म्यूऑन में क्षय होने में, और 'एटा' (eta) मेसॉन के उसी जोड़े में क्षय होने में। उन्होंने बैकग्राउंड शोर से इन दुर्लभ घटनाओं को अलग करने के लिए कोलाइडर के स्वच्छ वातावरण का उपयोग किया। परिणाम ऐसी घटनाओं की पूर्ण अनुपस्थिति थी। उन्होंने इन प्रक्रियाओं पर अब तक की सबसे सख्त सीमाएं स्थापित कीं, जो प्रभावी रूप से उन कई मॉडलों को खारिज करती हैं जिन्होंने फ्लेवर बदलने की उच्च दर की भविष्यवाणी की थी। ये शून्य परिणाम उन सैद्धांतिक बलों पर कड़े प्रतिबंध लगाते हैं जो इस तरह के उल्लंघन का कारण बन सकते हैं।

अंत में, टीम ने प्रकृति के एक मौलिक सिद्धांत जिसे 'बोस सिमेट्री' (Bose symmetry) कहा जाता है, की जांच की। यह नियम कहता है कि शून्य स्पिन वाले दो समान कण, जैसे दो न्यूट्रल केऑन्स (kaons), ऐसी स्थिति में मौजूद नहीं हो सकते जो कुछ क्वांटम यांत्रिक गुणों का उल्लंघन करती हो। दो न्यूट्रल केऑन्स के विशिष्ट मामले में जो चारमोनियम क्षय से उत्पन्न होते हैं, स्टैंडर्ड मॉडल भविष्यवाणी करता है कि यह घटना वर्जित होनी चाहिए जब तक कि थोड़ी मात्रा में सिमेट्री ब्रेकिंग (सममिति भंग) न हो। शोधकर्ताओं ने दो न्यूट्रल केऑन्स के समवर्ती उत्पादन की तलाश की। उन्हें ऐसी कोई घटना नहीं मिली। उनके द्वारा निर्धारित सीमाएं इतनी कम हैं कि वे क्वांटम गुरुत्वाकर्षण और 'लोकेलिटी' (locality) के उल्लंघन से जुड़े कुछ प्रस्तावित सिद्धांतों की भविष्यवाणियों से भी नीचे गिर जाती हैं, जो सुझाव देते हैं कि एंटेंगल्ड (entangled) कण ऐसे तरीकों से व्यवहार कर सकते हैं जो इन नियमों को तोड़ते हैं। हालांकि, परिणाम स्टैंडर्ड मॉडल के भीतर ज्ञात स्रोतों के कारण होने वाले सूक्ष्म, अपेक्षित उल्लंघन के स्तर से ऊपर बने हुए हैं।

संक्षेप में, BESIII सहयोग ने दुर्लभ और वर्जित क्षयों के लिए अब तक की सबसे संवेदनशील खोजों को करने के लिए चार्म कणों के विश्व के सबसे बड़े नमूनों का उपयोग किया है। उन्हें उस नई भौतिकी का कोई प्रमाण नहीं मिला जिसकी वे तलाश कर रहे थे। इसके बजाय, उन्होंने स्टैंडर्ड मॉडल के चारों ओर एक छोटा घेरा बना दिया है, यह दिखाते हुए कि प्रकृति अपने नियमों का उल्लेखनीय सटीकता के साथ पालन करती है। हालांकि कोई नए कण या बल नहीं खोजे गए, लेकिन यह कार्य समाप्त नहीं हुआ है। प्रयोग को अपग्रेड मिलने वाला है जो टकरावों की संख्या बढ़ाएगा और कणों को ट्रैक करने की क्षमता में सुधार करेगा। अधिक डेटा और बेहतर उपकरणों के साथ, भौतिकी के मानचित्र में सबसे छोटी दरारों की खोज जारी रहेगी, जो इस उम्मीद से प्रेरित है कि एक दिन, एक एकल दुर्लभ घटना ब्रह्मांड के बारे में एक गहरा सत्य प्रकट करेगी।