Improved measurement of
BESIII डिटेक्टर द्वारा एकत्र किए गए घटनाओं के एक बड़े नमूने का उपयोग करते हुए, यह अध्ययन चैनल के ब्रांचिंग फ्रैक्शन को मापने के लिए क्षय का आंशिक तरंग विश्लेषण (पार्शियल वेव एनालिसिस) करता है, क्षय को उच्च सार्थकता के साथ पहली बार देखता है, और - मिश्रण कोण निर्धारित करता है।
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उपपरमाणु जगत की गहराइयों में, चारमोनिया (charmonia) नामक कण भौतिकविदों के लिए अद्वितीय प्रयोगशालाओं के रूप में कार्य करते हैं। ये अल्पकालिक अवस्थाएं हैं जो तब बनती हैं जब एक भारी चार्म क्वार्क और उसका प्रतिद्रव्य (antimatter) जुड़वां, एंटी-चार्म क्वार्क, आपस में बंधते हैं। क्योंकि ये भारी होते हैं और तेजी से क्षय (decay) होते हैं, इसलिए ये 'स्ट्रॉन्ग फोर्स' (strong force) की एक दुर्लभ झलक प्रदान करते हैं, जो वह मौलिक अंतःक्रिया है जो परमाणु नाभिकों को थामे रखती है। जब ये चारमोनियम कण टूटते हैं, तो वे अक्सर मेसॉन (mesons) नामक हल्के कणों के जोड़ों में बदल जाते हैं। वैज्ञानिक ठीक यह अध्ययन करके कि ये रूपांतरण कैसे होते हैं, क्वांटम यांत्रिकी के नियमों का परीक्षण कर सकते हैं और समरूपता (symmetry) के सूक्ष्म उल्लंघनों की खोज कर सकते हैं जो यह समझा सकें कि ब्रह्मांड पदार्थ (matter) से बना है न कि प्रतिद्रव्य (antimatter) से। एक विशिष्ट पहेली दो तटस्थ कणों, एटा (eta) और एटा-प्राइम (eta-prime) से जुड़ी हुई है। हालांकि वे दिखने और व्यवहार करने में बहुत समान हैं, लेकिन वे वास्तव में विभिन्न प्रकार के अंतर्निहित क्वार्क संयोजनों के मिश्रण हैं। उनके आपस में मिलने के सटीक तरीके को एक संख्या द्वारा परिभाषित किया जाता है, एक कोण जिसे निर्धारित करना कठिन रहा है। इस कोण को निर्धारित करना भौतिकविदों को यह समझने में मदद करता है कि स्ट्रॉन्ग फोर्स विभिन्न प्रकार के क्वार्कों के साथ कैसा व्यवहार करती है और क्या इन कणों में कोई छिपे हुए, विलक्षण (exotic) घटक मौजूद हैं।
अनुसंधानकर्ताओं की एक टीम ने बीजिंग इलेक्ट्रॉन पॉज़िट्रॉन कोलाइडर पर BESIII डिटेक्टर का उपयोग करते हुए इस पहेली को सुलझाने की दिशा में एक बड़ा कदम उठाया है। उन्होंने एक विशिष्ट चारमोनियम कण, साइ (3686) [psi(3686)], के एक विशिष्ट जोड़े—एक आवेशित पायोन (pion) और एक एटा कण—में क्षय होने के 2.7 बिलियन से अधिक उदाहरणों वाले डेटा के एक विशाल संग्रह का विश्लेषण किया। यह एक दुर्लभ घटना है, और इसे खोजने के लिए, टीम को अन्य कण अंतःक्रियाओं के विशाल महासागर से गुजरना पड़ा। उन्होंने अपना ध्यान ऊर्जा की एक विशिष्ट सीमा पर केंद्रित किया जहाँ 'रो मेसॉन' (rho meson) नामक एक सुप्रसिद्ध कण के प्रकट होने की उम्मीद है। इन टकरावों से उत्पन्न कणों के पथों और ऊर्जाओं को पुनर्गठित करके, वे बैकग्राउंड शोर से सिग्नल को अलग करने में सक्षम हुए। उनके डेटासेट के विशाल आकार ने उन्हें एक विस्तृत 'पार्शियल वेव एनालिसिस' (partial wave analysis) करने की अनुमति दी, जो एक परिष्कृत सांख्यिकीय विधि है जो इस बात को स्पष्ट करती है कि क्षय विभिन्न तरीकों से कैसे हो सकता है। इस दृष्टिकोण ने न केवल अपेक्षित क्षय पथों को प्रकट किया, बल्कि एक पहले से अनदेखी प्रक्रिया को भी सामने लाया।
अध्ययन ने उच्च सटीकता के साथ साइ (3686) के एक रो मेसॉन और एक एटा कण में क्षय होने की पुष्टि की, और इसकी आवृत्ति लगभग 1.34 गुना 10 की घात -5 दर्ज की। अधिक महत्वपूर्ण बात यह है कि शोधकर्ताओं ने पहली बार एक नए क्षय मोड का अवलोकन किया: साइ (3686) का एक ए-2 (a2) मेसॉन और एक पायोन में बदलना। यह खोज अत्यंत उच्च स्तर के विश्वास के साथ की गई थी, जो कण भौतिकी में एक नए अवलोकन का दावा करने के लिए आवश्यक सीमा से कहीं अधिक है। टीम ने यह भी मापा कि टकराव ऊर्जा को रेजोनेंस पीक (resonance peak) से थोड़ा ऊपर या नीचे ट्यून करने पर ये क्षय दरें कैसे बदलती हैं। इसने उन्हें चारमोनियम कण के प्रत्यक्ष क्षय को कण उत्पादन के निरंतर बैकग्राउंड से अलग करने में मदद की, जो सटीक माप प्राप्त करने के लिए एक महत्वपूर्ण कदम है।
इन सटीक मापों के साथ, टीम ने अपना ध्यान एटा और एटा-प्राइम कणों के मिश्रण कोण (mixing angle) की ओर मोड़ा। रो-एटा क्षय, जिसे उन्होंने अभी मापा था, की दर की तुलना एटा-प्राइम से जुड़े एक समान क्षय के पिछले मापों के साथ करके, वे मिश्रण कोण की गणना कर सके। विश्लेषण ने इस कोण के लिए दो संभावित मान दिए: लगभग नकारात्मक 11.2 डिग्री या नकारात्मक 19.4 डिग्री। ये दोनों परिणाम 'लैटिस क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स' (lattice quantum chromodynamics) के सैद्धांतिक अनुमानों के साथ अच्छी तरह मेल खाते हैं, जो सुपर कंप्यूटरों का उपयोग करके कण गुणों की गणना करने की एक विधि है। हालांकि दोनों समाधान भिन्न हैं, फिर भी दोनों भौतिक विज्ञान के ज्ञात नियमों के अनुरूप हैं और पिछले प्रयोगों की तुलना में मिश्रण कोण पर बहुत कड़ा प्रतिबंध (constraint) प्रदान करते हैं। यह कार्य केवल एक संख्या को परिष्कृत नहीं करता है; यह एक नए क्षय पथ के अस्तित्व की पुष्टि करता है और यह प्रदर्शित करता है कि कैसे विभिन्न क्वांटम अवस्थाओं के बीच की अंतःक्रिया पदार्थ के सबसे मौलिक स्तर पर व्यवहार को आकार देती है। ये निष्कर्ष एक स्पष्ट चित्र प्रस्तुत करते हैं कि स्ट्रॉन्ग फोर्स कैसे संचालित होती है और ब्रह्मांड के निर्माण खंड (building blocks) कैसे व्यवस्थित हैं।
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