Search for new physics with charm data at BESIII
यह शोध पत्र दुनिया के सबसे बड़े और डेटा नमूनों का उपयोग करके नए भौतिकी की खोजओं पर हालिया BESIII सहयोग के परिणामों का सारांश प्रस्तुत करता है, जो विशेष रूप से लेप्टॉन/बैरियन संख्या उल्लंघन, आवेशित लेप्टॉन फ्लेवर उल्लंघन और चारमोनियम कमजोर क्षय पर केंद्रित है।
मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
हमारे चारों ओर का ब्रह्मांड पदार्थ (matter) से बना है, फिर भी सबसे सूक्ष्म कणों को नियंत्रित करने वाले भौतिकी के नियम यह सुझाव देते हैं कि बिग बैंग ने पदार्थ और प्रतिपदार्थ (antimatter) की समान मात्रा उत्पन्न की होगी, जो एक-दूसरे को तुरंत नष्ट कर देती। यह बेमेल आधुनिक विज्ञान की सबसे बड़ी अनसुलझी पहेलियों में से एक है, जो कि न्यूट्रिनो—वे रहस्यमयी कण जो सब कुछ से गुजर जाते हैं—के द्रव्यमान होने के रहस्य के साथ जुड़ी हुई है। स्टैंडर्ड मॉडल, जो उप-परमाणु दुनिया का हमारा सबसे अच्छा वर्तमान मानचित्र है, यह बताता है कि कण कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, लेकिन यह इन कमियों की व्याख्या नहीं कर सकता। इन लापता टुकड़ों को खोजने के लिए, भौतिक विज्ञानी उन दुर्लभ घटनाओं की तलाश करते हैं जहाँ नियम टूटते हुए प्रतीत होते हैं, जैसे कि लेप्टॉन संख्या या बैरयॉन संख्या के संरक्षण का उल्लंघन करने वाली प्रक्रियाएं। लेप्टॉन संख्या इलेक्ट्रॉन जैसे कुछ हल्के कणों की गिनती है, जबकि बैरयॉन संख्या प्रोटॉन और न्यूट्रॉन जैसे भारी कणों की गिनती है; स्टैंडर्ड मॉडल में, ये गणनाएँ सख्ती से संरक्षित रहती हैं। यदि वैज्ञानिक किसी ऐसे कण को पकड़ सकें जो इन गणनाओं को बदलने वाला कुछ करता है, या यदि वे देखते हैं कि एक कण बिना किसी न्यूट्रिनो के दूसरे प्रकार के लेप्टॉन में बदल जाता है, तो यह हमारे वर्तमान ज्ञान से परे नई भौतिकी का एक स्पष्ट संकेत होगा।
बीजिंग इलेक्ट्रॉन पॉज़िट्रॉन कोलाइडर में, एक ऐसी मशीन जो इलेक्ट्रॉनों और उनके प्रतिपदार्थ समकक्षों को आपस में टकराती है, BESIII प्रयोग ने चारमोनियम (charmonium)—जो एक भारी कण है जो एक चार्म क्वार्क और उसके एंटीक्वार्क से बना होता है—को बनाने वाले टकरावों से डेटा का एक विशाल संग्रह एकत्र किया है। अरबों घटनाओं वाला यह डेटासेट इन वर्जित रूपांतरणों की खोज के लिए एक उच्च-परिशुद्धता सूक्ष्मदर्शी के रूप में कार्य करता है। शोधकर्ताओं ने तीन मुख्य मार्गों पर ध्यान केंद्रित किया: यह देखने के लिए कि क्या न्यूट्रिनो अपने स्वयं के प्रतिकण हैं, उन कणों की खोज के लिए जो उन तरीकों से अपनी पहचान बदलते हैं जिन्हें स्टैंडर्ड मॉडल वर्जित करता है, और यह जांचने के लिए कि क्या भारी चारमोनियम कण उन कमजोर बलों के माध्यम से क्षय (decay) हो सकते हैं जो आमतौर पर असंभव होते हैं। इन अरबों टकरावों का विश्लेषण करके, टीम यह निर्धारित करने में सक्षम रही कि ये अजीब घटनाएं कितनी बार हो सकती हैं, इसके लिए अब तक की सबसे सख्त सीमाएं तय की गईं, जिससे नए सिद्धांतों के लिए खोज क्षेत्र प्रभावी रूप से संकुचित हो गया।
लेप्टॉन संख्या उल्लंघन की खोज में, टीम ने एक ऐसी प्रक्रिया की तलाश की जहाँ एक भारी कण जिसे 'कैस्केड बैरयॉन' कहा जाता है, एक हल्के 'सिग्मा बैरयॉन' और दो इलेक्ट्रॉनों में क्षय होता है, एक ऐसी प्रतिक्रिया जो यह संकेत देगी कि न्यूट्रिनो एक मेजरोना (Majorana) कण है, जिसका अर्थ है कि वह अपना स्वयं का प्रतिकण है। टकराव के दोनों पक्षों से घटना के पुनर्निर्माण (reconstruction) की तकनीक का उपयोग करके, ताकि सटीकता सुनिश्चित की जा सके, उन्होंने दस अरब से अधिक टकरावों का परीक्षण किया। उन्हें इस क्षय के होने का कोई प्रमाण नहीं मिला। संकेत मिलने के बजाय, उन्होंने गणना की कि यदि यह क्षय होता है, तो यह प्रत्येक एक लाख प्रयासों में से दो बार से भी कम बार होना चाहिए। उन्होंने अन्य कणों, जैसे कि एटा (eta) और ओमेगा (omega) मेसॉन तक इस खोज का विस्तार किया, और इसी तरह के क्षय की तलाश की जहाँ एक तटस्थ कण दो पायोन और दो इलेक्ट्रॉनों में बदल जाता है। फिर से, कोई संकेत नहीं मिले, और शोधकर्ताओं ने स्थापित किया कि ये क्षय और भी दुर्लभ हैं, जो हल्के मेसॉन के लिए प्रति दस लाख प्रयासों में कुछ बार से कम और भारी मेसॉन्स के लिए प्रति अरब प्रयासों में दो बार से कम होते हैं।
खोज बैरयॉन संख्या उल्लंघन की ओर भी मुड़ी, विशेष रूप से उस घटना की तलाश में जहाँ एक लैम्ब्डा बैरयॉन स्वतः ही अपने प्रतिपदार्थ जुड़वा, एक एंटी-लैम्ब्डा में बदल जाता है और वापस आता है। यह दोलन (oscillation) इस नियम को तोड़ देगा कि पदार्थ और प्रतिपदार्थ अलग-अलग और अलग से संरक्षित हैं। टीम ने इस तरह के फ्लिप (flip) के होने का संकेत देने वाली घटनाओं को खोजने के लिए टकरावों के उसी विशाल डेटासेट का विश्लेषण किया। उन्हें ऐसा होने का शून्य मामला मिला। किसी भी संकेत की अनुपस्थिति के आधार पर, उन्होंने निर्धारित किया कि यदि यह दोलन होता है, तो यह हर दस लाख प्रयासों में से एक बार से भी कम होना चाहिए। यह परिणाम इस बात पर एक नया, सख्त प्रतिबंध लगाता है कि ऐसा परिवर्तन कितनी तेजी से हो सकता है, जिससे यह न्यूनतम समय कि फ्लिप के लिए आवश्यक है, तीन-दशमांश माइक्रोसेकंड से अधिक लंबा है, जो कि एक अत्यंत तीव्र समय है लेकिन फिर भी स्टैंडर्ड मॉडल की अनुमति से बहुत परे है।
प्रयोग ने आवेशित लेप्टॉन फ्लेवर उल्लंघन (charged lepton flavor violation) की भी जांच की, जो एक ऐसी प्रक्रिया है जहाँ एक भारी कण दो अलग-अलग प्रकार के आवेशित लेप्टॉनों, जैसे कि एक इलेक्ट्रॉन और एक म्यूऑन में क्षय होता है, बिना सामान्य न्यूट्रिनो साथियों के। स्टैंडर्ड मॉडल में, इलेक्ट्रॉन और म्यूऑन अलग-अलग परिवार हैं जो इस तरह से मिश्रित नहीं होते हैं। शोधकर्ताओं ने psi(3686) कण के क्षय में और एटा तथा एटा-प्राइम मेसॉन्स के क्षय में इस मिश्रण की तलाश की। psi(3686) के मामले में, उन्होंने कुछ उम्मीदवार घटनाओं को देखा, लेकिन संख्या रैंडम बैकग्राउंड शोर के बजाय एक वास्तविक संकेत के अनुरूप थी। एटा और एटा-प्राइम मेसॉन्स के लिए, डेटा में घटनाओं का कोई अतिरिक्त भाग नहीं दिखा। फलस्वरूप, टीम ने निष्कर्ष निकाला कि ये फ्लेवर-बदलने वाले क्षय अत्यंत दुर्लभ हैं, जो विशिष्ट कण के आधार पर प्रत्येक दस मिलियन से दस बिलियन प्रयासों में से एक बार से भी कम होते हैं। ये सीमाएं पिछले मापों की तुलना में काफी सख्त हैं, जो प्रभावी रूप से उन कई सैद्धांतिक मॉडलों को खारिज करती हैं जिन्होंने भविष्यवाणी की थी कि ये क्षय अधिक सामान्य होंगे।
अंत में, टीम ने चारमोनियम के उन कमजोर क्षयों की खोज की जिनमें चार्म क्वार्क के फ्लेवर में परिवर्तन शामिल है, एक ऐसी प्रक्रिया जो स्टैंडर्ड मॉडल में अत्यधिक दमित है लेकिन नई भौतिकी द्वारा बढ़ाई जा सकती है। उन्होंने उन क्षयों की तलाश की जहाँ चारमोनियम कण एक डी (D) मेसॉन और अन्य कणों में परिवर्तित हो जाता है, या जहाँ वह एक फोटॉन या म्यूऑन की एक जोड़ी उत्सर्जित करता है। उन सभी चैनलों में जिनका उन्होंने परीक्षण किया, डी मेसॉन और रो (rho) मेसॉन से लेकर डी मेसॉन और इलेक्ट्रॉन वाले चैनलों तक, कोई महत्वपूर्ण संकेत नहीं मिले। शोधकर्ताओं ने इन क्षयों की आवृत्ति पर ऊपरी सीमाएं निर्धारित कीं, यह पाते हुए कि वे प्रत्येक दस मिलियन से दस बिलियन प्रयासों में से कुछ ही बार होते हैं। ये परिणाम एक व्यापक मानचित्र प्रदान करते हैं कि नई भौतिकी कहाँ नहीं छिपी है, जिससे सिद्धांतकारों को अपने मॉडलों को इन बढ़ते हुए सख्त प्रतिबंधों के अनुरूप ढालने के लिए मजबूर होना पड़ता है।
BESIII सहयोग द्वारा किया गया कार्य किसी नए कण या प्रकृति के टूटे हुए नियम को प्रकट नहीं करता है, लेकिन यह विज्ञान के लिए समान रूप से महत्वपूर्ण कार्य करता है: यह एक स्पष्ट सीमा खींचता है कि क्या संभव है। चार्म डेटा के विश्व के सबसे बड़े नमूनों का उपयोग करके, टीम ने दिखाया है कि ब्रह्मांड इन विशिष्ट चैनलों में पहले की तुलना में स्टैंडर्ड मॉडल के प्रति और भी अधिक आज्ञाकारी है। संकेतों की अनुपस्थिति एक शक्तिशाली परिणाम है, क्योंकि यह सैद्धांतिक संभावनाओं की एक विस्तृत श्रृंखला को समाप्त कर देता है और भविष्य के अनुसंधान को उन कुछ शेष कोनों की ओर निर्देशित करता है जहाँ नई भौतिकी अभी भी खोजे जाने की प्रतीक्षा कर रही हो सकती है। जैसे-जैसे अधिक डेटा एकत्र किया जाएगा, ये सीमाएं और भी सख्त होती जाएंगी, या तो वर्तमान मॉडल में दरार दिखाएंगी या नई भौतिकी की खोज को और भी चरम सीमाओं तक धकेल देंगी।
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