Search for the rare decay
BESIII डिटेक्टर द्वारा एकत्र किए गए लगभग 10 बिलियन घटनाओं के एक नमूने का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने दुर्लभ क्षय की खोज की, कोई महत्वपूर्ण संकेत नहीं पाया, और इसके ब्रान्चिंग फ्रैक्शन (शाखा अंश) पर 90% विश्वास स्तर पर की एक नई ऊपरी सीमा स्थापित की, जो पिछले सीमाओं में चार गुना से अधिक का सुधार है।
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उप-परमाणु जगत में, कण केवल सूक्ष्म निर्माण खंड ही नहीं हैं; वे ब्रह्मांड के सबसे मौलिक नियमों के संदेशवाहक भी हैं। इन नियमों में से एक समरूपता (symmetry) है—छिपे हुए पैटर्न जो यह निर्धारित करते हैं कि कण कैसे व्यवहार करते हैं और रूपांतरित होते हैं। ऐसा ही एक नियम चार्ज कंजुगेशन (charge conjugation), या सी-सिमेट्री (C-symmetry) है, जो अनिवार्य रूप से यह पूछता है: यदि आप किसी अभिक्रिया में प्रत्येक कण को उसके प्रति-पदार्थ (antimatter) जुड़वां से बदल दें, तो क्या भौतिकी के नियम बिल्कुल समान दिखेंगे? अधिकांश रोजमर्रा की प्रक्रियाओं के लिए, उत्तर 'हाँ' है। हालाँकि, भौतिकविदों को लंबे समय से संदेह रहा है कि प्रकृति कभी-कभी बहुत विशिष्ट, दुर्लभ तरीकों से इस नियम को तोड़ सकती है। इस तरह के उल्लंघन को खोजना एक युगांतकारी खोज होगी, जो हमारे वर्तमान ब्रह्मांड संबंधी ज्ञान से परे नई भौतिकी की ओर संकेत करेगी।
दो कण, एटा (eta) और एटा-प्राइम (eta-prime), इस जांच के केंद्र में हैं। वे उदासीन (neutral) हैं, जिसका अर्थ है कि वे कोई विद्युत आवेश नहीं रखते हैं, और वे क्वार्कों (quarks) के मिश्रण से बने हैं, जो पदार्थ के मौलिक घटक हैं। अपनी अद्वितीय संरचना और उन सख्त संरक्षण नियमों के कारण जो उन्हें नियंत्रित करते हैं, इन कणों के क्षय (decay) होने का तरीका बहुत पूर्वानुमानित होना चाहिए। यदि वे अपने सामान्य दो फोटॉन (प्रकाश के कणों) के बजाय तीन फोटॉन में क्षय होते हैं, तो यह सी-सिमेट्री के उल्लंघन का संकेत देगा। वर्तमान सिद्धांतों के तहत ऐसी घटना इतनी असंभव है कि इसे खोजना एक विशाल समुद्र तट पर एक विशिष्ट रेत के कण को खोजने जैसा होगा, फिर भी इसी तरह की सुई-घांस (needle-in-a-haystack) वाली खोज आधुनिक कण भौतिकी को प्रेरित करती है।
बीजिंग के इंस्टीट्यूट ऑफ हाई एनर्जी फिजिक्स में स्थित बीईएस-थ्री (BESIII) सहयोग के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस खोज में एक बड़ा कदम उठाया है। बीपीसी-दोई (BEPCII) नामक सुविधा पर इलेक्ट्रॉनों और पॉज़िट्रॉन के दस अरब से अधिक टकरावों के विशाल डेटासेट का विश्लेषण करके, उन्होंने एक व्यापक डेटा का विश्लेषण किया। ये टकराव, जो इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन के टकराव से उत्पन्न होते हैं, कणों का एक समूह पैदा करते हैं, जिसमें जे/साई (J/psi) मेसॉन शामिल है। शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट घटनाओं की श्रृंखला पर ध्यान केंद्रित किया: एक जे/साई मेसॉन का एक फोटॉन और एक एटा-प्राइम कण में क्षय, जिसके बाद उस एटा-प्राइम कण का तीन फोटॉन में क्षय। इस दुर्लभ घटना को पहचानने के लिए, टीम को डेटा के एक पहाड़ से छंटनी करनी पड़ी, और एक बहुत ही विशिष्ट संकेत की तलाश करनी पड़ी: प्रकाश की तीन अलग-अलग चमक से उत्पन्न ऊर्जा का विस्फोट, जिसमें अंतिम मिश्रण में कोई अन्य आवेशित कण मौजूद न हो।
चुनौती अत्यंत कठिन थी। डिटेक्टर, जो संवेदनशील उपकरणों से भरा एक जटिल सिलेंडर है, गुजरने वाले कणों से ऊर्जा जमा होने की रिकॉर्डिंग करता है। टीम को अरबों बैकग्राउंड घटनाओं को छानना पड़ा जो उनके सिग्नल की नकल कर सकते थे, जैसे कि ऐसे मामले जहाँ एक कण दो फोटॉन में क्षय होता है और एक तीसरा, असंबंधित फोटॉन पास में ही डिटेक्ट हो जाता है। उन्होंने यह समझने के लिए परिष्कृत कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया कि उनका डिटेक्टर उस सिग्नल के प्रति कैसा व्यवहार करेगा जिसकी वे तलाश कर रहे हैं और उस शोर (noise) के प्रति जो उनके सिग्नल को बाधित कर सकता है। प्रकाश की चमक के समय और ऊर्जा पर सख्त फिल्टर लागू करके, और यह जाँचकर कि तीन फोटॉन का संयुक्त द्रव्यमान एटा-प्राइम के ज्ञात द्रव्यमान से मेल खाता है या नहीं, उन्होंने क्षेत्र को प्रबंधनीय संख्या में संकुचित कर दिया।
अपने विश्लेषण को चलाने के बाद, शोधकर्ताओं को उस दुर्लभ क्षय का कोई प्रमाण नहीं मिला जिसकी वे तलाश कर रहे थे। डेटा में तीन-फोटॉन घटनाओं की संख्या में कोई महत्वपूर्ण उछाल नहीं दिखा जिसे एटा-प्राइम द्वारा नियमों को तोड़ने के कारण माना जा सके। इसके बजाय, परिणाम यादृच्छिक बैकग्राउंड उतार-चढ़ाव के अनुरूप थे। इस सिग्नल की अनुपस्थिति अपने आप में एक शक्तिशाली परिणाम है। इसने टीम को इस बात की एक नई, बहुत अधिक सख्त सीमा निर्धारित करने की अनुमति दी कि यह प्रतिबंधित क्षय कितनी बार हो सकता है। उन्होंने निर्धारित किया कि यदि यह क्षय होता है, तो यह उत्पादित प्रत्येक 100,000 एटा-प्राइम कणों में से 2.25 बार से भी कम होता है। यह नया ऊपरी स्तर पिछले सर्वोत्तम माप से चार गुना अधिक सख्त है, जो प्रभावी रूप से उप-परमाणु दुनिया में जो संभव है उसकी सीमाओं को आगे बढ़ा देता है।
इस शून्य परिणाम (null result) के निहितार्थ ब्रह्मांड को समझने की व्यापक खोज के लिए महत्वपूर्ण हैं। इस संवेदनशीलता के स्तर पर क्षय को खारिज करके, यह अध्ययन उन सिद्धांतों पर कड़े प्रतिबंध लगाता है जो समरूपता उल्लंघन के नए स्रोतों की भविष्यवाणी करते हैं। यदि ऐसी नई भौतिकी मौजूद है जो एटा-प्राइम को तीन फोटॉन में विभाजित करने की अनुमति देती है, तो उसे पहले की तुलना में और भी अधिक मायावी होना चाहिए। शोधकर्ताओं का कार्य धैर्य और सटीकता की शक्ति का प्रमाण है; दस अरब घटनाओं को देखकर और कुछ भी न पाकर, उन्होंने सफलतापूर्वक अनिश्चितता की एक परत को साफ कर दिया है, जिससे हम प्रकृति के मौलिक बलों के संचालन की पूर्ण तस्वीर के करीब पहुँच गए हैं।
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