Measurement of electromagnetic transition form factors in two-photon collisions at BESIII

ब्रह्मांड उन बलों से जुड़ा हुआ है जो हमेशा दिखाई नहीं देते, और आधुनिक भौतिकी के सबसे निरंतर रहस्यों में से एक एक सूक्ष्म कण है जिसे म्यूऑन (muon) कहा जाता है। यह कण इलेक्ट्रॉन का एक भारी संबंधी है, और इसमें एक चुंबकीय गुण होता है जो इसके घूमने (spin) के दौरान इसे डगमगाता (wobble) है। वैज्ञानिकों ने मानक मॉडल (Standard Model)—जो ब्रह्मांड के काम करने के तरीके के बारे में हमारा सबसे अच्छा सिद्धांत है—के आधार पर गणना की है कि यह डगमगाहट कितनी होनी चाहिए। हालाँकि, जब वे वास्तविक दुनिया में इस डगमगाहट को मापते हैं, तो परिणाम अलग होता है। भविष्यवाणी और वास्तविकता के बीच का यह अंतर हमारी समझ में किसी कमी का संकेत है, शायद प्रकृति के एक नए बल या कम ऊर्जा पर मजबूत परमाणु बल (strong nuclear force) के व्यवहार की गणना करने के हमारे तरीके में किसी त्रुटि का। इस पहेली को सुलझाने के लिए, भौतिकविदों को कणों के बीच होने वाली परस्पर क्रियाओं की अपनी गणनाओं को परिष्कृत करना होगा, विशेष रूप से यह देखना होगा कि प्रकाश और पदार्थ किस तरह से टकराते हैं, जो वर्तमान गणित के साथ अनुमान लगाना कठिन है।

एक स्पष्ट तस्वीर पाने के लिए, शोधकर्ताओं को इस बात के सटीक डेटा की आवश्यकता है कि कुछ कण कैसे प्रतिक्रिया करते हैं जब उन्हें एक साथ प्रकाश की दो किरणों से टकराया जाता है। यह प्रक्रिया, जिसे 'टू-फोटोन फ्यूजन' (two-photon fusion) के रूप में जाना जाता है, 'हैड्रोनिक लाइट-बाय-लाइट' (hadronic light-by-light) स्कैटरिंग को समझने की कुंजी है, जो म्यूऑन की चुंबकीय डगमगाहट में योगदान देती है। सैद्धांतिक मॉडल उन निम्न ऊर्जा स्तरों पर इस परस्पर क्रिया का वर्णन करने में संघर्ष करते हैं जहाँ सबसे महत्वपूर्ण प्रभाव होते हैं। फलस्वरूप, वैज्ञानिकों को उन प्रयोगों की ओर मुड़ना पड़ता है जो इन टकरावों को सीधे देख सकें। बीजिंग, चीन में स्थित BESIII प्रयोग एक ऐसे ऊर्जा स्तर पर संचालित होता है जो इन दुर्लभ घटनाओं को घटित होते देखने के लिए अद्वितीय रूप से उपयुक्त है। इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन को टकराकर, यह मशीन कणों का एक समूह बनाती है, जिसमें न्यूट्रल पायोन (neutral pions) और अन्य अल्पकालिक अवस्थाएँ शामिल हैं, जिससे भौतिकविदों को यह मापने की अनुमति मिलती है कि दो फोटॉन द्वारा टकराए जाने पर ये कण कैसे बनते हैं।

इस नवीनतम कार्य में, BESIII सहयोग ने कई हल्के कणों के इलेक्ट्रोमैग्नेटिक ट्रांज़िशन फॉर्म फैक्टर्स (electromagnetic transition form factors) को मापने के लिए टकराव के डेटा के एक विशाल संग्रह का उपयोग किया। एक ट्रांज़िशन फॉर्म फैक्टर अनिवार्य रूप से एक मानचित्र है जो यह दिखाता है कि एक विशिष्ट ऊर्जा के फोटॉन से टकराने पर किसी कण की आंतरिक संरचना कैसे बदलती है। टीम ने सबसे पहले न्यूट्रल पायोन पर ध्यान केंद्रित किया, जो एक क्वार्क और एक एंटी-क्वार्क से बना एक मौलिक कण है। 2.93 fb⁻¹ के टकराव डेटा का उपयोग करके, उन्होंने यह मापा कि पायोन एक आभासी फोटॉन (virtual photon)—जो टकराव के दौरान केवल एक क्षण के लिए अस्तित्व में रहता है—को कैसे प्रतिक्रिया देता है, और यह निम्न ऊर्जाओं की एक श्रृंखला में हुआ। परिणाम एक अत्यधिक सटीक माप था जो पिछले प्रयोगों द्वारा छोड़े गए अंतराल को भरता है। मौजूदा सिद्धांतों के साथ तुलना करने पर, नया डेटा एक कठोर परीक्षण प्रदान करता है, जो उन विभिन्न गणितीय मॉडलों के बीच अंतर करने में मदद करता है जो मजबूत बल (strong force) का वर्णन करने का प्रयास करते हैं। ये माप कुछ सैद्धांतिक भविष्यवाणियों के साथ अच्छी तरह मेल खाते हैं जबकि अन्य को खारिज करते हैं, जिससे म्यूऑन के चुंबकीय क्षण (magnetic moment) की गणना करने के लिए एक स्पष्ट मार्ग मिलता है।

एकल पायोन के अलावा, शोधकर्ताओं ने यह भी जांचा कि जब दो फोटॉन टकराते हैं तो न्यूट्रल पायोन का जोड़ा कैसे उत्पन्न होता है। यह प्रक्रिया अधिक जटिल है क्योंकि इसमें मध्यवर्ती अवस्थाएं (intermediate states), या अस्थायी अनुनाद (resonances) शामिल होते हैं, जो प्रारंभिक टकराव और अंतिम कणों के बीच सेतु का कार्य करते हैं। टीम ने विशिष्ट कणों के योगदान को अलग करने के लिए डेटा का विश्लेषण किया, जिसमें f0(500) और f0(980) नामक स्केलर मेसॉन (scalar mesons) और f2(1270) नामक टेंसर मेसॉन शामिल हैं। टकराव की ऊर्जा और कणों के निकलने के कोण के आधार पर डेटा को सावधानीपूर्वक छाँटकर, वे इन अल्पकालिक अवस्थाओं के संकेतों को अलग करने में सक्षम रहे। इसने उन्हें इन कणों के ट्रांज़िशन फॉर्म फैक्टर्स निकालने की अनुमति दी, जिससे f0(500) TFF के पहले-कभी किए गए माप के साथ-साथ f0(980) और f2(1270) TFF के सबसे सटीक और निम्नतम-ऊर्जा निर्धारण प्राप्त हुए। डेटा ने इन कणों की आंतरिक संरचना को उस सटीकता के साथ प्रकट किया जो पहले कभी प्राप्त नहीं की गई थी, जिससे यह पता चला कि वे निम्न ऊर्जा पर प्रकाश के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं।

इन निष्कर्षों का महत्व केवल कणों के गुणों को सूचीबद्ध करने तक ही सीमित नहीं है। नए माप म्यूऑन के असामान्य चुंबकीय क्षण (anomalous magnetic moment) के लिए सैद्धांतिक भविष्यवाणियों को तेज करने हेतु आवश्यक महत्वपूर्ण प्रायोगिक इनपुट प्रदान करते हैं। 'हैड्रोनिक लाइट-बाय-लाइट' स्कैटरिंग योगदान में अनिश्चितता को कम करके, यह कार्य यह स्पष्ट करने में मदद करता है कि क्या विसंगति नए भौतिकी के कारण है या केवल हमारे वर्तमान मॉडलों की एक सीमा के कारण है। BESIII टीम ने प्रदर्शित किया है कि बड़े डेटासेट और सावधानीपूर्वक विश्लेषण के साथ, अभूतपूर्व सटीकता के साथ इन कणों के आंतरिक कामकाज की जांच करना संभव है। भविष्य की ओर देखते हुए, प्रयोग अन्य कणों के फॉर्म फैक्टर्स को मापने के लिए और भी बड़े डेटासेट का उपयोग करने की योजना बना रहा है, जिसमें f1(1285) शामिल है, जो म्यूऑन रहस्य को सुलझाने के लिए और भी अधिक महत्वपूर्ण होने की उम्मीद है। ये प्रयास कण भौतिकी के सबसे दिलचस्प प्रश्नों में से एक को सुलझाने की दिशा में एक स्थिर, व्यवस्थित कदम का प्रतिनिधित्व करते हैं, जो वैज्ञानिक समुदाय को उन मूलभूत बलों को समझने के करीब लाते हैं जो हमारे ब्रह्मांड को आकार देते हैं।