Measurements of the branching fractions of \boldmath $χ_{cJ}\toΣ^0\barΣ^0η$

ब्रह्मांड के ताने-बाने के भीतर, पदार्थ एक ऐसी शक्ति द्वारा एक साथ जुड़ा रहता है जो अत्यंत शक्तिशाली है और परमाणुओं के मूल केंद्रों को बांधती है। यह बल, जिसे 'स्ट्रॉन्ग इंटरेक्शन' (प्रबल अन्योन्यक्रिया) के रूप में जाना जाता है, क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स नामक नियमों के एक समूह द्वारा शासित होता है। जबकि वैज्ञानिकों ने उच्च ऊर्जा पर इस बल के गणित में महारत हासिल कर ली है, निम्न-ऊर्जा वाला क्षेत्र रहस्यों के एक धुंधले परिदृश्य के रूप में बना हुआ है। यहाँ, कण साधारण बिलियर्ड बॉल्स की तरह व्यवहार नहीं करते; वे जटिल तरीकों से घूमते और परस्पर क्रिया करते हैं जिन्हें अनुमान लगाना कठिन होता है। इस छिपे हुए क्षेत्र का मानचित्र बनाने के लिए, भौतिक विज्ञानी अक्सर 'चार्मोनियम स्टेट्स' (charmonium states) नामक विशेष, अल्पकालिक कणों का उपयोग करते हैं। ये कणों के छोटे, भारी प्रयोगशालाओं की तरह हैं जिन्हें कण त्वरकों (particle accelerators) में बनाया जाता है, जहाँ एक चार्म क्वार्क और उसका प्रति-पदार्थ साथी, एंटी-चार्म क्वार्क, एक-दूसरे की परिक्रमा करते हैं। जब ये जोड़े क्षय (decay) होते हैं, तो वे अन्य कणों में टूट जाते हैं, जिससे उनके विघटन को नियंत्रित करने वाले नियमों की एक झलक मिलती है। इन भारी जोड़ों के टूटने के सटीक तरीके का अध्ययन करके, शोधकर्ता अपने वर्तमान ज्ञान की सीमाओं का परीक्षण कर सकते हैं और उन दरारों की तलाश कर सकते हैं जो नई भौतिकी की ओर संकेत कर सकती हैं।

बीजिंग में BEPCII कोलाइडर के BESIII डिटेक्टर का उपयोग करने वाले एक शोधकर्ता ने हाल ही में इस परिदृश्य के एक पहले से अंधेरे कोने को आलोकित किया है। उन्होंने डेटा के एक विशाल संग्रह का विश्लेषण किया जिसमें इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन के 2.7 बिलियन से अधिक टकराव शामिल थे। इस विशाल डेटासेट से, उन्होंने 'ची-सी' (chi-c) नामक एक विशिष्ट प्रकार के भारी कण पर ध्यान केंद्रित किया, जो स्पिन के आधार पर तीन थोड़े अलग प्रकारों में आता है। शोधकर्ता एक विशिष्ट, दुर्लभ घटना की तलाश में था: वह क्षण जब इनमें से एक ची-सी कण अन्य तीन कणों—एक न्यूट्रल सिग्मा बैरयॉन, उसके प्रति-पदार्थ जुड़वां, और एक न्यूट्रल एटा मेसॉन (eta meson)—में क्षय होता है। अब तक, यह विशिष्ट क्षय, प्रयोगों या सैद्धांतिक गणनाओं में, कभी नहीं देखा गया था। शोधकर्ता ने इन घटनाओं को पीछे छोड़े गए मलबे को ट्रैक करके पुनर्गठित किया, विशेष रूप से प्रोटॉन, एंटी-प्रोटॉन, पायोन और पांच फोटॉन के एक विशिष्ट सिग्नेचर पैटर्न की तलाश की जो वांछित कणों की उपस्थिति की पुष्टि कर सके।

अरबों टकरावों को छानने के बाद, शोधकर्ता ने ची-सी कण के तीनों प्रकारों के लिए इस क्षय के प्रथम अवलोकन की रिपोर्ट की, जिनके सांख्यिकीय महत्व क्रमशः 7.2σ, 5.7σ और 6.7σ थे। हालांकि ये परिणाम प्रथम अवलोकन का दावा करने के लिए पर्याप्त मजबूत हैं, शोधकर्ता ने उल्लेख किया कि एक चैनल (5.7σ) के लिए साक्ष्य अक्सर कुछ संदर्भों में निश्चित अवलोकन के लिए उपयोग किए जाने वाले विशिष्ट 6σ थ्रेशोल्ड से थोड़ा नीचे है। उन्होंने यह मापा कि यह क्षय ची-सी कणों की कुल संख्या के सापेक्ष कितनी बार होता है, जिससे प्रत्येक मामले के लिए 'ब्रांचिंग फ्रैक्शन' (branching fraction) निर्धारित हुआ। पहले प्रकार के लिए, यह क्षय हर 100,000 ची-सी कणों में से लगभग 9.7 बार होता है। दूसरे प्रकार के लिए, यह 100,000 में से लगभग 4.9 बार होता है, और तीसरे के लिए, यह 100,000 में से लगभग 6.1 बार होता है। ये संख्याएँ इस विशिष्ट अंतःक्रिया के लिए पहले ठोस डेटा बिंदु प्रदान करती हैं, जिससे भौतिकविदों को यह तुलना करने की अनुमति मिलती है कि जनक कण के विभिन्न स्पिन अवस्थाएं परिणाम को कैसे प्रभावित करती हैं।

शोधकर्ता ने कणों के अलग होने के विन्यास का भी परीक्षण किया ताकि यह देखा जा सके कि क्या वे किसी अस्थायी, मध्यवर्ती संरचनाओं, जैसे कि एक नए प्रकार के उत्तेजित कण का निर्माण कर रहे हैं। उन्होंने कणों के अंतिम समूह के द्रव्यमान संयोजन (mass combinations) की बारीकी से जांच की, और किसी भी अप्रत्याशित क्लंप या अनुनाद (resonance) की तलाश की जो पदार्थ की एक नई अवस्था का संकेत दे सके। डेटा ने कणों के युग्मों के द्रव्यमान वितरण में कोई महत्वपूर्ण संरचना नहीं दिखाई; कण बिना किसी मध्यवर्ती चरण के सीधे क्षय से उत्पन्न होते प्रतीत हुए। नई संरचनाओं की यह अनुपस्थिति खोज के समान ही महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह उन कुछ सैद्धांतिक मॉडलों को खारिज करती है जिन्होंने भविष्यवाणी की थी कि ऐसे मध्यवर्ती अवस्थाएं मौजूद होंगी। इसके अलावा, आवेशित कणों वाले समान क्षयों के पिछले मापों के साथ तुलना करके, शोधकर्ता ने पाया कि उनकी दरें प्रकृति की समरूपता (isospin) पर आधारित अपेक्षाओं से मेल खाती हैं। यह सुझाव देता है कि प्रबल बल इन विभिन्न कण संयोजनों के साथ एक सुसंगत हाथ से व्यवहार करता है, जो कण भौतिकी के मानक मॉडल को पुष्ट करता है।

निष्कर्ष आंतरिक तंत्र के बारे में एक सूक्ष्म संकेत भी देते हैं। जब शोधकर्ता ने विभिन्न स्पिन प्रकारों के लिए क्षय की शक्ति की तुलना की, तो उन्होंने देखा कि पहला प्रकार अन्य दो की तुलना में अलग व्यवहार करता है। व्यवहार का यह अंतर संकेत देता है कि पहला प्रकार सिद्धांत द्वारा अनुमानित एक अन्य, अधिक विलक्षण (exotic) प्रकार के कण के साथ मिश्रित हो सकता है, या यह एक अद्वितीय तंत्र के माध्यम से क्षय होता है। हालांकि डेटा यह पुष्टि नहीं करता है कि वास्तव में क्या हो रहा है, यह पहेली का एक महत्वपूर्ण नया हिस्सा प्रदान करता है। इन क्षयों की खोज, उनके दरों के सटीक मापन के साथ, सिद्धांतकारों को अपने मॉडलों का परीक्षण करने के लिए एक नया बेंचमार्क प्रदान करती है। यह पुष्टि करता है कि प्रबल बल इस तरह से कार्य करता है कि ये विशिष्ट संयोजन बन सकें, और साथ ही यह समझने के पीछे के गहरे कारणों की खोज को सीमित करता है कि ये कण किस तरह से टूटते हैं। जैसे-जैसे यह क्षेत्र आगे बढ़ता है, ये माप भविष्य के प्रयोगों के लिए एक आधार के रूप में कार्य करेंगे जिनका लक्ष्य प्रबल अन्योन्यक्रिया के शेष रहस्यों को सुलझाना है।