Evidence for the decay and improved measurements of the decay
18 fb के Run 3 LHCb डेटा का उपयोग करते हुए, यह शोध पत्र दुर्लभ क्षय के लिए पहले एकल-प्रयोग साक्ष्य की रिपोर्ट करता है और के ब्रांचिंग अंश और प्रभावी जीवनकाल के विश्व के सबसे सटीक मापन प्राप्त करता है, जो कि सभी मानक मॉडल (Standard Model) के अनुमानों के अनुरूप हैं।
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ब्रह्मांड कुछ बुनियादी कणों के एक छोटे समूह से बना है जो उन बलों के माध्यम से परस्पर क्रिया करते हैं जिन्हें हम माप और वर्णित कर सकते हैं। दशकों से, भौतिकविदों ने एक ढांचे का उपयोग किया है जिसे 'स्टैंडर्ड मॉडल' कहा जाता है ताकि वे समझा सकें कि ये कण कैसे व्यवहार करते हैं, एक ऐसा सिद्धांत जिसने हर उस परीक्षण को उल्लेखनीय सटीकता के साथ पास किया है जो इसके सामने रखा गया है। फिर भी, यह मॉडल अधूरा महसूस होता है। यह इस बात की व्याख्या नहीं कर सकता कि ब्रह्मांड पदार्थ से अधिक प्रति-पदार्थ (एंटीमैटर) से क्यों भरा है, न ही यह डार्क मैटर के लिए कोई उम्मीदवार पेश करता है, जो अदृश्य पदार्थ है जो आकाशगंगाओं को थामे रखता है। खोए हुए टुकड़ों को खोजने के लिए, वैज्ञानिकों को हमेशा कणों को और अधिक जोर से टकराने के लिए बड़ी मशीनें बनाने की आवश्यकता नहीं होती है; कभी-कभी, उन्हें सबसे दुर्लभ, सबसे नाजुक घटनाओं को और करीब से देखने की आवश्यकता होती है। यह देखने से कि कैसे कुछ भारी कण टूटकर हल्के कणों में विखंडित (डिके) होते हैं, शोधकर्ता उन सूक्ष्म विचलनों को देख सकते हैं जो वर्तमान पहचान की सीमा से परे छिपे हुए अदृश्य बलों या नए कणों का संकेत देते हैं।
एक ऐसा ही दुर्लभ मामला एक कण का है जिसे बी मेसॉन (B meson) कहा जाता है, जिसमें एक भारी ब्यूटी क्वार्क होता है। स्टैंडर्ड मॉडल में, एक विशिष्ट प्रकार का बी मेसॉन कभी-कभी मयून (muon) के जोड़े में परिवर्तित हो सकता है, जो इलेक्ट्रॉन के भारी चचेरे भाई हैं। यह रूपांतरण इतना कठिन है कि यह हर एक अरब विखंडनों में केवल कुछ ही बार होता है। क्योंकि यह प्रक्रिया इतनी दमित (suppressed) है, इसलिए एक नए, अनदेखे कण का एक छोटा सा योगदान भी इस दर को बदल सकता है कि यह कैसे होता है या बी मेसॉन के गायब होने से पहले उसके जीवनकाल को बदल सकता है। इन विखंडनों को मापना एक शोर भरे स्टेडियम में एक फुसफुसाहट सुनने जैसा है; यदि फुसफुसाहट अपेक्षित से अलग सुनाई देती है, तो यह सुझाव देता है कि भीड़ में एक नई आवाज बोल रही है।
CERN में LHCb डिटेक्टर के साथ काम करने वाली शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस फुसफुसाहट को अभूतपूर्व स्पष्टता के साथ सुना है। लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर के सबसे हालिया रन के दौरान एकत्र किए गए डेटा का उपयोग करते हुए, उन्होंने पाया है कि एक विशिष्ट प्रकार का न्यूट्रल बी मेसॉन, जिसे B0 जाना जाता है, वास्तव में दो मयून में विखंडित होता है। हालांकि इस विखंडन की भविष्यवाणी स्टैंडर्ड मॉडल द्वारा की गई थी, लेकिन इसे पहले कभी किसी एक प्रयोग द्वारा स्पष्ट रूप से नहीं देखा गया था। टीम ने एक समान, थोड़े अधिक सामान्य विखंडन के अपने मापों को भी परिष्कृत किया, जिसमें एक अलग बी मेसॉन शामिल है जिसे Bs कहा जाता है, यह पाया कि यह एक ऐसी दर और जीवनकाल के साथ होता है जो स्थापित सिद्धांत के भविष्यवाणियों के साथ पूरी तरह मेल खाता है। अरबों प्रोटॉन टकरावों के विश्लेषण से प्राप्त ये परिणाम बताते हैं कि कण भौतिकी का वर्तमान मॉडल सुदृढ़ बना हुआ है, भले ही वैज्ञानिक उन दरारों की तलाश कर रहे हों जो एक गहरे यथार्थ को प्रकट कर सकती हैं।
यह कार्य अपग्रेड किए गए LHCb डिटेक्टर का उपयोग करके किया गया था, जो प्रकाश की गति के लगभग बराबर चलते कणों को ट्रैक करने के लिए डिज़ाइन किया गया एक विशाल उपकरण है। डिटेक्टर कोलाइडर की बीमों के पथ के साथ स्थित है, जो 13.6 ट्रिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट की ऊर्जा पर होने वाले टकरावों के मलबे को पकड़ता है। 2024 और 2025 के बीच, मशीन ने डेटा की एक विशाल मात्रा प्रदान की, जो 18 इन्वर्स फेमोटोबार्न (inverse femtobarns) की एकीकृत ल्युमिनोसिटी (integrated luminosity) के बराबर है, जो रिकॉर्ड किए गए टकरावों की कुल संख्या का एक माप है। अपग्रेड किया गया डिटेक्टर अपने पूर्ववर्तियों की तुलना में बहुत अधिक संवेदनशील है, जो एक बहुत अधिक व्यस्त वातावरण में काम करने में सक्षम है जहाँ एक साथ कई टकराव होते हैं। इस सुधार ने टीम को कोलाइडर के शोर के बीच से उन विशिष्ट संकेतों को खोजने की अनुमति दी जिन्हें वे खोज रहे थे।
दुर्लभ विखंडनों को खोजने के लिए, शोधकर्ताओं को सिग्नल को बैकग्राउंड इवेंट्स के समुद्र से अलग करना था। अधिकांश टकराव कणों का एक अराजक स्प्रे पैदा करते हैं, और कभी-कभी, कणों के यादृच्छिक संयोजन बी मेसॉन के दो मयून में विखंडित होने के स्वरूप की नकल कर सकते हैं। टीम ने एक परिष्कृत कंप्यूटर एल्गोरिदम का उपयोग किया, जिसे 'बूस्टेड डिसीजन ट्री' (boosted decision tree) के रूप में जाना जाता है, ताकि एक वास्तविक सिग्नल और एक यादृच्छिक बैकग्राउंड के बीच सूक्ष्म अंतर को सीखा जा सके। इस उपकरण ने कणों के पथ और गुणों, जैसे कि वे टकराव बिंदु से कितनी दूर तक गए और उनका कोण क्या था, का विश्लेषण किया ताकि प्रत्येक उम्मीदवार इवेंट को एक स्कोर दिया जा सके। केवल उच्चतम स्कोर वाले इवेंट्स को चुनकर, टीम ने संभावित विखंडनों का एक स्वच्छ नमूना अलग किया।
एक बार जब उम्मीदवारों का चयन कर लिया गया, तो शोधकर्ताओं ने प्रत्येक इवेंट में दो मयून के द्रव्यमान (mass) को मापा। यदि दो मयून एक बी मेसॉन के विखंडन से आए थे, तो उनका संयुक्त द्रव्यमान एक विशिष्ट मान के आसपास क्लस्टर करेगा, जिससे डेटा में एक पीक (peak) बनेगा। टीम को अपेक्षित द्रव्यमान पर B0 मेसॉन का एक स्पष्ट पीक मिला, जो इस विखंडन की उपस्थिति को दर्शाता है। इस निष्कर्ष की सांख्यिकीय सार्थकता (statistical significance) तीन मानक विचलन (standard deviations) तक पहुँच गई, एक ऐसा स्तर जिसे भौतिक विज्ञानी 'साक्ष्य' (evidence) कहते हैं। हालाँकि यह अभी तक खोज का स्वर्ण मानक नहीं है, जिसके लिए पांच मानक विचलन की आवश्यकता होती है, लेकिन यह एक मजबूत संकेत है कि सिग्नल वास्तविक है और डेटा का कोई संयोग नहीं है। टीम ने Bs मेसॉन के विखंडन की दर को भी मापा, जिसे पिछले अवलोकनों के अनुरूप पाया गया लेकिन बहुत अधिक सटीकता के साथ।
शोधकर्ताओं ने यह भी मापा कि Bs मेसॉन विखंडित होने से पहले कितने समय तक जीवित रहता है। यह प्रभावी जीवनकाल (effective lifetime) केवल विखंडन दर की तुलना में एक अलग प्रकार की जानकारी प्रदान करता है। स्टैंडर्ड मॉडल में, यह अपेक्षा की जाती है कि विखंडन लगभग पूरी तरह से एक विशिष्ट कण संस्करण से आता है जो अधिक समय तक जीवित रहता है। यदि नया भौतिक विज्ञान (new physics) शामिल होता, तो कणों के संस्करणों का मिश्रण बदल सकता था, जिससे मापा गया जीवनकाल बदल जाता। टीम ने पाया कि Bs मेसॉन का जीवनकाल 1.60 पिकोसेकंड (picoseconds) है, जो स्टैंडर्ड मॉडल की भविष्यवाणियों के साथ पूरी तरह से मेल खाता है। यह सहमति बताती है कि विखंडन बिल्कुल उसी तरह से आगे बढ़ रहा है जैसा वर्तमान सिद्धांत वर्णन करता है, और इसमें नए कणों के हस्तक्षेप से कोई स्पष्ट संकेत नहीं है।
अपने परिणामों को विश्वसनीय बनाने के लिए, टीम ने हालिया रन के नए डेटा को कोलाइडर के पिछले रन के मापों के साथ जोड़ा। यह संयुक्त विश्लेषण, जिसमें 2011 से 2025 तक का डेटा शामिल है, इन विखंडन दरों का अब तक का सबसे सटीक निर्धारण प्रदान करता है। अंतिम संख्याएँ दिखाती हैं कि Bs मेसॉन प्रत्येक एक अरब प्रयासों में से लगभग 3.25 बार मयून में विखंडित होता है, जबकि B0 मेसन प्रत्येक दस अरब प्रयासों में से लगभग 1.14 बार ऐसा करता है। ये संख्याएँ उल्लेखनीय रूप से उन आंकड़ों के करीब हैं जो स्टैंडर्ड मॉडल भविष्यवाणी करता है। दोनों दरों के बीच का अनुपात, जो कणों के गुणों और उन पर कार्य करने वाले बलों पर निर्भर करता है, सैद्धांतिक अपेक्षा के अनुरूप भी है।
इन निष्कर्षों के नए भौतिक विज्ञान की खोज के लिए महत्वपूर्ण निहितार्थ हैं। कई सिद्धांत जो स्टैंडर्ड मॉडल को विस्तारित करने का प्रयास करते हैं, वे भविष्यवाणी करते हैं कि ये दुर्लभ विखंडन देखे गए स्तर से अधिक बार होंगे या उनके जीवनकाल में भिन्नता होगी। तथ्य यह है कि माप स्टैंडर्ड मॉडल के साथ इतनी निकटता से मेल खाते हैं, यह इन वैकल्पिक सिद्धांतों पर कड़े प्रतिबंध लगाता है। यह सुझाव देता है कि यदि नए कण मौजूद हैं, तो वे या तो इतने भारी हैं कि इन विखंडनों को प्रभावित नहीं कर सकते या वे ऐसे तरीकों से परस्पर क्रिया करते हैं जो स्टैंडर्ड मॉडल के नाजुक संतुलन को बाधित नहीं करते हैं। हालांकि B0 विखंडन की खोज प्रयोगात्मक कौशल की एक जीत है, लेकिन सिद्धांत से विचलन का अभाव यह बताता है कि नए भौतिक विज्ञान की खोज अन्य दिशाओं में जारी रखनी होगी।
इस माप की सफलता अपग्रेड किए गए LHCb डिटेक्टर की शक्ति को उजागर करती है। डेटा की इतनी बड़ी मात्रा एकत्र करने और उच्च सटीकता के साथ बैकग्राउंड शोर से दुर्लभ संकेतों को अलग करने की क्षमता यह प्रदर्शित करती है कि यह सुविधा अन्वेषण के अगले चरण के लिए तैयार है। टीम का कार्य भविष्य के अध्ययनों के लिए एक ठोस आधार प्रदान करता है, यह सुनिश्चित करता है कि इन विखंडनों में भविष्य में पाए जाने वाले कोई भी विचलन सांख्यिकीय उतार-चढ़ाव के बजाय नए भौतिक विज्ञान के वास्तविक संकेत होंगे। फिलहाल, ब्रह्मांड बिल्कुल वैसा ही व्यवहार करता है जैसा कि स्टैंडर्ड मॉडल कहता है, यहाँ तक कि इसके सबसे मायावी कोनों में भी। डेटा की चुप्पी, इस मामले में, एक चिल्लाहट जितनी ही सूचनात्मक है, जो भौतिकविदों को बताती है कि प्रकृति के ज्ञात नियम मजबूती से कायम हैं, भले ही वे उन दरारों की तलाश कर रहे हों जो ब्रह्मांड की गहरी समझ की ओर ले जा सकती हैं।
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