⚛️ high-energy experiments

Observation of single top-quark production in the $s$ -channel in proton--proton collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

$\sqrt{s}=13$ TeV पर $140 \text{ fb}^{-1}$ प्रोटॉन-प्रोटॉन टक्कर डेटा का उपयोग करते हुए, एटलस (ATLAS) सहयोग ने $s$ -चैनल में एकल टॉप-क्वार्क उत्पादन के पहले एकल-प्रयोग अवलोकन की 5.1 मानक विचलन के साथ रिपोर्ट दी है, जिसमें एक क्रॉस-सेक्शन मापा गया है जो मानक मॉडल (Standard Model) के पूर्वानुमानों के अनुरूप है।

मूल लेखक: ATLAS Collaboration

प्रकाशित 2026-10-09

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CC BY 4.0

मूल लेखक: ATLAS Collaboration

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उप-परमाणु जगत में, पदार्थ मूलभूत कणों के एक छोटे परिवार से बना है, जिनमें से टॉप क्वार्क (top quark) एक अद्वितीय स्थान रखता है। यह सभी ज्ञात मौलिक कणों में सबसे भारी है, जिसका भार लगभग एक स्वर्ण परमाणु के बराबर है, फिर भी यह क्षय होने से पहले केवल एक क्षणिक पल के लिए अस्तित्व में रहता है। अपने विशाल द्रव्यमान के कारण, टॉप क्वार्क अन्य किसी भी कण की तुलना में हिग्स क्षेत्र (Higgs field) के साथ अधिक मजबूती से अंतःक्रिया करता है, जो इसे यह समझने के लिए एक महत्वपूर्ण जांच उपकरण बनाता है कि ब्रह्मांड में द्रव्यमान कैसे उत्पन्न होता है। भौतिकविदों को लंबे समय से पता है कि टॉप क्वार्क मुख्य रूप से दो तरीकों से उत्पन्न हो सकते हैं: युग्मों (pairs) में, जहाँ एक टॉप और उसका प्रति-द्रव्य (antimatter) जुड़वां मिलकर निर्मित होते हैं, या एकल रूप में, जहाँ एक एकल टॉप क्वार्क कमजोर परमाणु बल (weak nuclear force) से जुड़ी एक विशिष्ट अंतःक्रिया के माध्यम से प्रकट होता है। जबकि टॉप-क्वार्क युग्मों के उत्पादन को दशकों से देखा गया है, और एक विशिष्ट कमजोर-बल पथ के माध्यम से उत्पादित एकल टॉप क्वार्क अच्छी तरह से प्रलेखित हैं, एक तीसरा, दुर्लभ पथ अब तक मायावी रहा है। यह अंतिम मोड, जिसे s-चैनल (s-channel) के रूप में जाना जाता है, कमजोर बल की एक अलग व्यवस्था से जुड़ा है जो उच्च-ऊर्जा टकरावों में इतनी दमित (suppressed) है कि इसने अब तक दुनिया के सबसे शक्तिशाली कण त्वरक (particle accelerator) में प्रत्यक्ष पहचान से परहेज किया है।

लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर पर ATLAS डिटेक्टर का उपयोग करने वाले एक शोधकर्ता ने अंततः इस मायावी प्रक्रिया के साक्ष्य को पकड़ लिया है। कई वर्षों में एकत्र किए गए प्रोटॉन-प्रोटॉन टकराव के डेटा के एक विशाल संग्रह का विश्लेषण करके, जो 140 इन्वर्स फेम्टोबारन (inverse femtobarns) की एकीकृत ल्यूमिनोसिटी (integrated luminosity) के अनुरूप है, वैज्ञानिक शोर के समुद्र से इस दुर्लभ संकेत को अलग करने में सक्षम हुए। जिस प्रक्रिया की वे तलाश कर रहे थे, वह एक एकल टॉप क्वार्क के साथ एक बॉटम एंटीक्वार्क (bottom antiquark) उत्पन्न करती है, जो फिर कणों के एक विशिष्ट समूह में क्षय हो जाते हैं: एक एकल इलेक्ट्रॉन या म्यूऑन, न्यूट्रिनो द्वारा ले जाया गया लुप्त ऊर्जा का एक विस्फोट, और बॉटम क्वार्कों से उत्पन्न होने वाले ठीक दो जेट्स। इस दुर्लभ घटना को अन्य प्रक्रियाओं के कारण होने वाली समान दिखने वाली घटनाओं की अत्यधिक संख्या से अलग करने के लिए, उन्होंने ग्राफ न्यूरल नेटवर्क (Graph Neural Network) नामक एक परिष्कृत कृत्रिम बुद्धिमत्ता उपकरण का उपयोग किया। यह प्रणाली प्रत्येक टकराव को जुड़े हुए बिंदुओं के एक नेटवर्क के रूप में मानती है, और यह सीखने के लिए प्रशिक्षित होती है कि दुर्लभ s-चैनल संकेत को सामान्य पृष्ठभूमि से अलग करने वाले सूक्ष्म ज्यामितीय और गतिज पैटर्न को कैसे पहचाना जाए।

इस विश्लेषण ने एक स्पष्ट परिणाम दिया। शोधकर्ता ने 5.1 मानक विचलन (standard deviations) के सांख्यिकीय महत्व के साथ एक संकेत देखा, जो कण भौतिकी में अवलोकन का दावा करने के लिए औपचारिक आवश्यकता है। इसका अर्थ यह है कि देखे गए संकेत के केवल पृष्ठभूमि का एक यादृच्छिक उतार-चढ़ाव होने की संभावना तीस लाख में एक से भी कम है। टीम ने इन घटनाओं के होने की दर, जिसे क्रॉस-सेक्शन (cross-section) कहा जाता है, को मापा, जिसे लगभग 1.5 पिकोबार्न के सांख्यिककी सीमाओं से और 1.6 पिकोबार्न के व्यवस्थित प्रयोगात्मक कारकों से अनिश्चितता के साथ, 10.8 पिकोबार्न पाया गया। यह मापा गया दर कण भौतिकी के स्टैंडर्ड मॉडल (Standard Model) से प्राप्त 11.07 पिकोबार्न के सैद्धांतिक पूर्वानुमान के काफी करीब है। अवलोकन और पूर्वानुमान के बीच यह सहमति पुष्टि करती है कि स्टैंडर्ड मॉडल इस दुर्लभ अंतःक्रिया का सही वर्णन करता है, जिससे लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर पर एकल टॉप क्वार्क के उत्पादन के तीनों ज्ञात तरीकों का प्रयोगात्मक चित्र पूर्ण होता है।

यह खोज न केवल इसलिए महत्वपूर्ण है क्योंकि यह प्रयोगात्मक रिकॉर्ड में एक अंतराल को भरती है, बल्कि इसलिए भी क्योंकि यह प्रकृति के मौलिक बलों का परीक्षण करने का एक नया, स्वतंत्र तरीका प्रदान करती है। s-चैनल प्रक्रिया सीधे तौर पर टॉप क्वार्क और बॉटम क्वार्क के बीच अंतःक्रिया की शक्ति के प्रति संवेदनशील है, जो कि कैबिबो-कोयामा-कोबायाशी-मासावा (Cabibbo-Kobayashi-Maskawa) मैट्रिक्स नामक एक गणितीय तालिका में कूटबद्ध है। इसके अलावा, क्योंकि यह प्रक्रिया इतनी दुर्लभ है, यह नए, अनदेखे कणों या बलों की उपस्थिति के प्रति अत्यधिक संवेदनशील है जो इस अंतःक्रिया के साथ हस्तक्षेप कर सकते हैं। इस दमित प्रक्रिया के एक मजबूत माप को स्थापित करके, शोधकर्ता ने इलेक्ट्रोवीक (electroweak) क्षेत्र की जांच करने और हमारे वर्तमान ज्ञान से परे भौतिकी की खोज करने के लिए एक नया झरोखा खोल दिया है। इस माप की सफलता काफी हद तक स्वीकृत टकराव घटनाओं की सीमा को विस्तृत करने और सिग्नल को बैकग्राउंड से अलग करने के लिए उन्नत मशीन लर्निंग का उपयोग करने की क्षमता पर निर्भर थी, ऐसी तकनीकों ने उन्हें ऐसी संवेदनशीलता प्राप्त करने में सक्षम बनाया जो पिछले प्रयासों से कहीं अधिक थी। इस अवलोकन के साथ, s-चैनल में एकल टॉप क्वार्क की प्रयोगात्मक खोज पूरी हो गई है, जो पदार्थ की मौलिक संरचना को मानचित्रित करने के निरंतर प्रयास में एक मील का पत्थर है।

तकनीकी सारांश: $s$ -चैनल में सिंगल टॉप-क्वार्क उत्पादन का अवलोकन

समस्या और संदर्भ
सिंगल टॉप-क्वार्क उत्पादन स्टैंडर्ड मॉडल (SM) में एक मौलिक प्रक्रिया है जो तीन अलग-अलग तंत्रों के माध्यम से आगे बढ़ती है: $t$ -चैनल, एसोसिएटेड $tW$ उत्पादन, और $s$ -चैनल। जबकि LHC पर $t$ -चैल और $tW$ मोड को मजबूती से स्थापित किया जा चुका है, $s$ -चैनल प्रक्रिया LHC पर अवलोकन से बचने वाली अंतिम प्रत्यक्ष टॉप-क्वार्क उत्पादन प्रक्रिया रही है। $s$ -चैनल प्रक्रिया की विशेषता एक क्वार्क और एक एंटीक्वार्क के बीच एक वर्चुअल $W$ बोसॉन का विनिमय है, जिसके परिणामस्वरूप एक सिंगल टॉप क्वार्क और एक बॉटम एंटीक्वार्क (या इसके विपरीत, $t\bar{b} + \bar{t}b$ ) प्राप्त होता है। यह प्रक्रिया LHC पर अत्यधिक दमित (suppressed) है क्योंकि इसका लीडिंग-ऑर्डर तंत्र प्रारंभिक अवस्था में एक सी (sea) एंटीक्वार्क की आवश्यकता रखता है, जिससे इसका क्रॉस-सेक्शन टॉप-क्वार्क पेयर ( $t\bar{t}$ ) उत्पादन या $W$ +जेट्स बैकग्राउंड की तुलना में काफी छोटा हो जाता है। पिछले ATLAS विश्लेषणों ने 8 TeV और 13 TeV की सेंटर-ऑफ-मास ऊर्जाओं पर 3.2 और 3.3 मानक विचलन (standard deviations) के महत्व के साथ इस प्रक्रिया के साक्ष्य प्रदान किए थे, लेकिन वे औपचारिक अवलोकन के लिए आवश्यक 5 $\sigma$ थ्रेशोल्ड तक पहुँचने में विफल रहे थे।

कार्यप्रणाली
यह विश्लेषण ATLAS डिटेक्टर द्वारा $\sqrt{s} = 13$ TeV की सेंटर-ऑफ-मास ऊर्जा पर एकत्रित प्रोटॉन-प्रोटॉन टकरावों के पूर्ण Run 2 डेटासेट का उपयोग करता है, जो 140 fb $^{-1}$ के एकीकृत ल्यूमिनोसिटी (integrated luminosity) के अनुरूप है। चयन रणनीति सिंगल टॉप क्वार्क के सेमीलेप्टोनिक क्षय (decay) मोड को लक्षित करती है, जिसमें ठीक एक इलेक्ट्रॉन या म्यूऑन, महत्वपूर्ण मिसिंग ट्रांसवर्स मोमेंटम ( $E^{\text{miss}}_T$ ), और ठीक दो जेट्स की आवश्यकता होती है जिन्हें $b$ -क्वार्क्स से उत्पन्न होने के रूप में पहचाना गया हो ( $b$ -टैग्ड)।

पिछले ATLAS खोजों की तुलना में प्रमुख कार्यप्रणालीगत प्रगति निम्नलिखित हैं:

विस्तृत किनमैटिक एक्सेप्टेंस (Broadened Kinematic Acceptance): पिछले विश्लेषण की तुलना में उपलब्ध सिग्नल इवेंट्स की संख्या को लगभग तीन गुना बढ़ाने के लिए चयन मानदंडों को शिथिल किया गया।
उन्नत $b$ -टैगिंग: डैलेप्टोनिक $t\bar{t}$ घटनाओं में 85% दक्षता वर्किंग पॉइंट के साथ $b$ -जेट्स की पहचान करने के लिए ग्राफ ट्रांसफार्मर आर्किटेक्चर का उपयोग करने वाले GN2 एल्गोरिदम का उपयोग किया गया।
ग्राफ न्यूरल नेटवर्क (GNN): प्रमुख बैकग्राउंड्स ( $t\bar{t}$ , $W$ +जेट्स, और $t$ -चैनल सिंगल टॉप) से $s$ -चैनल सिग्नल को अलग करने के लिए एक GNN विकसित किया गया। नेटवर्क प्रत्येक इवेंट को एक फुली कनेक्टेड ग्राफ के रूप में मॉडल करता है जहाँ लेप्टॉन, दो $b$ -टैग्ड जेट्स, और $E^{\text{miss}}_T$ नोड्स के रूप में कार्य करते हैं। एज (Edges) किनमैटिक संबंधों ( $\Delta\phi$ , $\Delta\eta$ , $\Delta R$ , $\Delta p_T$ , और इनवेरिएंट मास) को एनकोड करते हैं। GNN को सभी बैकग्राउंड प्रक्रियाओं से सिग्नल को अलग करने के लिए एक बाइनरी क्लासिफायर के रूप में प्रशिक्षित किया गया था, जिसने पिछले तरीकों की तुलना में बेहतर सिग्नल-टू-बैकग्राउंड सेपरेशन हासिल किया।
सांख्यिकीय विश्लेषण: सिग्नल रीजन (SR) और ऑर्थोगोनल कंट्रोल रीजन (CRs) ( $t\bar{t}$ , $W$ +जेट्स, और मल्टीजेट बैकग्राउंड के लिए) के लिए एक बिन्ड प्रोफाइल मैक्सिमम-लाइक्लिहुड फिट एक साथ किया गया। $W$ +जेट्स CR और SR में GNN आउटपुट स्कोर का उपयोग विभेदक चर (discriminating variable) के रूप में किया गया, जबकि $t\bar{t}$ CR में ट्रांसवर्स मोमेंटम का स्केलर सम ( $H_T$ ) उपयोग किया गया। डिटेक्टर कैलिब्रेशन, बैकग्राउंड मॉडलिंग और सैद्धांतिक भविष्यवाणियों (PDFs, रिनॉर्मलाइजेशन/फैक्टरइजेशन स्केल्स) से संबंधित व्यवस्थित अनिश्चितताओं (systematic uncertainties) को नज़लियंस पैरामीटर्स के रूप में शामिल किया गया था।

मुख्य परिणाम
यह विश्लेषण 5.1 मानक विचलन का प्रेक्षित सिग्नल महत्व (observed signal significance) प्रदान करता है, जबकि अपेक्षित महत्व 5.2 मानक विचलन है, जो LHC पर $s$ -चैनल में सिंगल टॉप-क्वार्क उत्पादन के पहले सिंगल-एक्सपेरिमेंट अवलोकन का गठन करता है।

$s$ -चैनल उत्पादन ( $t\bar{b} + \bar{t}b$ ) के लिए मापा गया समावेशी क्रॉस-सेक्शन (inclusive cross-section) है:
$\sigma_{t\bar{b}+\bar{t}b} = 10.8 \pm 1.5 \text{ (stat.)} \pm 1.6 \text{ (syst.) pb}$
यह परिणाम $11.07^{+0.19}_{-0.18}$ pb के स्टैंडर्ड मॉडल प्रेडिक्शन के अनुरूप है, जिसे QCD में नेक्स्ट-टू-नेक्स्ट-टू-लीडिंग-ऑर्डर (NNLO) पर गणना किया गया है। कुल अनिश्चितता लगभग 20.4% है, जिसमें व्यवस्थित और सांख्यिकीय अनिश्चितताएं क्रमशः लगभग 15.2% और 13.5% का योगदान देती हैं। प्रमुख व्यवस्थित अनिश्चितताएं बैकग्राउंड मॉडलिंग (विशेष रूप से $tW$ और $t\bar{t}$ इंटरफेरेंस और $W$ +जेट्स मॉडलिंग) और जेट कैलिब्रेशन से उत्पन्न होती हैं।

महत्व
यह पेपर दावा करता है कि यह परिणाम $s$ -चैनल प्रक्रिया के अवलोकन को स्थापित करता है, जिससे LHC पर तीनों सिंगल टॉप-क्वार्क उत्पादन तंत्रों का प्रायोगिक अवलोकन पूर्ण होता है। इस मील के पत्थर से परे, यह माप स्टैंडर्ड मॉडल के इलेक्ट्रोवीक सेक्टर का एक महत्वपूर्ण, स्वतंत्र सत्यापन प्रदान करता है। इस दमित प्रक्रिया का एक मजबूत माप स्थापित करके, यह विश्लेषण टॉप क्वार्क के इलेक्ट्रोवीक कपलिंग्स की जांच करने और स्टैंडर्ड मॉडल से परे भौतिकी (physics beyond the Standard Model) को सीमित करने के लिए एक नया फेज स्पेस खोलता है। विशेष रूप से, यह माप $s$ -चैनल में भारी रेजोनेंस, जैसे कि $W'$ बोसॉन्स या चार्ज्ड हिग्स बोसॉन्स के प्रति संवेदनशीलता प्रदान करता है, और प्रभावी फील्ड थ्योरीज के माध्यम से विसंगत कपलिंग्स (anomalous couplings) पर प्रतिबंध लगाने की अनुमति देता है। विस्तृत किनमैटिक एक्सेप्टेंस और GNN की शुरूआत के माध्यम से प्राप्त उन्नत संवेदनशीलता ने उन विशाल बैकग्राउंड चुनौतियों पर विजय प्राप्त की है जिन्होंने पहले इन टकराव ऊर्जाओं पर प्रत्यक्ष पहचान को बाधित किया था।

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