Search for heavy neutral leptons in top quark decays with same-sign, same-flavor dilepton final states in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

दशकों से, भौतिकविदों को पता है कि ब्रह्मांड अपने वर्तमान स्वरूप में पूरी तरह से पूर्ण नहीं है। मानक मॉडल (Standard Model), जो प्रकृति के मौलिक कणों और बलों का वर्णन करता है, आश्चर्यजनक सटीकता के साथ काम करता है, फिर भी इसमें एक बड़ी कमी है: यह इस बात की व्याख्या नहीं कर सकता कि न्यूट्रिनो—वे रहस्यमयी कण जो ब्रह्मांड के हर चीज़ के बीच से होकर गुजरते हैं—में द्रव्यमान क्यों है। मूल रूप से मॉडल ने माना था कि वे भारहीन हैं, लेकिन प्रयोगों ने पुष्टि की है कि वे ऐसे नहीं हैं। यह सूक्ष्म विसंगति बताती है कि मानक मॉडल केवल एक गहरे यथार्थ का आंशिक दृश्य मात्र है। इस अंतर को भरने के लिए, वैज्ञानिकों ने भारी तटस्थ लेप्टॉन (heavy neutral leptons) के अस्तित्व का प्रस्ताव दिया है, जो परिचित न्यूट्रिनो के भारी 'कजिन' या संबंधी हैं, जो यह समझने की कुंजी हो सकते हैं कि ब्रह्मांड में पदार्थ क्यों है। ये काल्पनिक कण उन सिद्धांतों द्वारा अनुमानित हैं जो हमारी वर्तमान समझ का विस्तार करते हैं, और एक ऐसी प्रक्रिया प्रदान करते हैं जो साधारण न्यूट्रिनो में देखे जाने वाले छोटे द्रव्यमान को उत्पन्न करती है और उनके भारी समकक्षों को हमारी दृष्टि से छिपाए रखती है।

इस रहस्य के केंद्र में एक विशिष्ट प्रकार का भारी कण है जो हमारे ज्ञात पदार्थ से अलग व्यवहार करता है। जबकि साधारण कणों की विशिष्ट पहचान होती है जो उन्हें अपनी दर्पण छवि (mirror image) में बदलने से रोकती है, इन भारी तटस्थ लेप्टॉन के बारे में सिद्धांत है कि वे अपने स्वयं के प्रति-कण (antiparticles) हैं। यदि ऐसा कोई कण मौजूद है, तो यह प्रकृति के एक मौलिक नियम का उल्लंघन करेगा जिसे 'लेप्टॉन संख्या संरक्षण' (lepton number conservation) कहा जाता है, जो एक सिद्धांत है जो आमतौर पर प्रत्येक परस्पर क्रिया में कुछ कणों की गणना को संतुलित रखता है। इस उल्लंघन के प्रमाण का मिलना एक युगांतकारी खोज होगी, जो यह सिद्ध करेगी कि प्रकृति उन प्रक्रियाओं की अनुमति देती है जो वर्तमान पाठ्यपुस्तकों में कड़ाई से वर्जित हैं। यह पुष्टि करेगा कि ये भारी कण मौजूद हैं और वे उन तरीकों से बदल सकते हैं जिनमें साधारण पदार्थ नहीं बदल सकता, जो संभावित रूप से ब्रह्मांड के पदार्थ-प्रतिपद (matter-antimatter) असंतुलन की उत्पत्ति की व्याख्या कर सकता है।

इन मायावी कणों की खोज के लिए, जिनेवा में लार्ज हैड्रोन कोलाइडर के शोधकर्ताओं ने टॉप क्वार्क (top quark) की ओर अपना ध्यान केंद्रित किया, जो सबसे भारी ज्ञात मौलिक कण है। मानक मॉडल में, एक टॉप क्वार्क लगभग हमेशा एक बॉटम क्वार्क और एक W बोसॉन में क्षय (decay) होता है, जो फिर हल्के कणों में टूट जाता है। हालाँकि, यदि भारी तटस्थ लेप्टॉन मौजूद हैं, तो एक टॉप क्वार्क कभी-कभी एक अलग मार्ग ले सकता है, जो एक बॉटम क्वार्क, एक आवेशित लेप्टॉन (जैसे इलेक्ट्रॉन या म्यूऑन), और एक ऐसे भारी तटस्थ लेप्टॉन में क्षय होता है। वह भारी कण स्वयं क्षय होने से पहले एक छोटी दूरी तय करेगा, जिससे एक अन्य आवेशित लेप्टॉन और एक W बोसॉन उत्पन्न होगा। क्योंकि भारी कण अपने स्वयं के प्रति-कण है, इसलिए इसके द्वारा उत्पादित दूसरा लेप्टॉन पहले लेप्टॉन के समान विद्युत आवेश वाला होगा। यह एक दुर्लभ और विशिष्ट संकेत बनाता है: दो इलेक्ट्रॉन या दो म्यूऑन जिनका आवेश समान है, जो एक ही टकराव की घटना में एक साथ दिखाई देते हैं, और साथ में अन्य कणों का एक समूह भी होता है।

CMS सहयोग, जो कोलाइडर में एक विशाल डिटेक्टर संचालित करने वाली हजारों वैज्ञानिकों की एक टीम है, ने इस विशिष्ट पैटर्न को खोजने के लिए प्रोटॉन-प्रोटॉन टकरावों के एक विशाल संग्रह का विश्लेषण किया। वे 2016 से 2018 तक के डेटा की छानबीन करते हैं, जो रिकॉर्ड की गई जानकारी की एक विशाल मात्रा के अनुरूप है, और उन घटनाओं की तलाश करते हैं जहाँ समान आवेश और प्रकार के दो कण ऊर्जा के जेट्स (jets of energy) के साथ दिखाई देते हैं जो टूटे हुए क्वार्क्स से उत्पन्न होते हैं। चुनौती अत्यधिक है क्योंकि साधारण कण अंतःक्रियाओं का बैकग्राउंड शोर (background noise) बहुत अधिक होता है। अधिकांश टकराव विपरीत आवेशों वाले कणों के जोड़े उत्पन्न करते हैं, और समान आवेश वाले दो कणों का मिलना आमतौर पर एक माप त्रुटि या एक दुर्लभ, ज्ञात प्रक्रिया का संकेत देता है। इस शोर से संभावित संकेत को अलग करने के लिए, टीम ने एक परिष्कृत कंप्यूटर एल्गोरिदम का उपयोग किया जिसे ऊर्जा और दिशा के बीच सूक्ष्म अंतर को पहचानने के लिए प्रशिक्षित किया गया था, जो एक वास्तविक भारी कण क्षय और एक मानक बैकग्राउंड घटना के बीच होता है।

अपने सख्त चयन मानदंडों को लागू करने और अपने विश्लेषण उपकरणों के माध्यम से डेटा चलाने के बाद, शोधकर्ताओं को खोजे जा रहे भारी तटस्थ लेप्टॉन का कोई प्रमाण नहीं मिला। उनके द्वारा देखी गई घटनाओं की संख्या साधारण बैकग्राउंड प्रक्रियाओं के अनुमानों से पूरी तरह मेल खाती है। समान आवेश वाले लेप्टॉन जोड़ों का कोई अतिरिक्त हिस्सा (excess) नहीं मिला जिसे टॉप क्वार्क के भारी तटस्थ लेप्टॉन में क्षय होने के कारण माना जा सके। यह शून्य परिणाम अपने आप में एक महत्वपूर्ण निष्कर्ष है, क्योंकि यह वैज्ञानिकों को इस बात की सीमा निर्धारित करने की अनुमति देता है कि ये कण कहाँ छिपे हो सकते हैं। उन्होंने निर्धारित किया कि यदि ये भारी कण मौजूद हैं और टॉप क्वार्क क्षय में उत्पन्न होते हैं, तो वे अत्यंत दुर्लभ होने चाहिए, जो कि हर कुछ दस हजार टॉप क्वार्क क्षयों में से एक बार से भी कम बार होते हैं।

यह अध्ययन 20 से 100 गीगाइलेक्ट्रॉनवोल्ट (GeV) के बीच के भारी तटस्थ लेप्टॉन पर केंद्रित था, जो इस विशिष्ट क्षय चैनल में पहले से पूरी तरह से तलाशा नहीं गया था। इस द्रव्यमान सीमा के कणों के लिए, शोधकर्ताओं ने गणना की कि एक टॉप क्वार्क के भारी तटस्थ लेप्टॉन में क्षय होने की संभावना बहुत कम है। इलेक्ट्रॉनों के मामले में, यह क्षय लगभग 20,000 से 90,000 टॉप क्वार्क क्षयों में से एक बार से भी कम होता है, जो कण के द्रव्यमान पर निर्भर करता है। म्यूऑन्स के लिए, सीमा और भी कड़ी है, जिसमें क्षय लगभग 40,000 से 270,000 क्षयों में से एक बार से भी कम होता है। ये सीमाएँ इस विशिष्ट उत्पादन पद्धति के लिए अब तक के सबसे कड़े प्रतिबंध हैं, जो प्रभावी रूप से इन कणों के अस्तित्व को खारिज करती हैं यदि वे उच्च दरों पर उत्पन्न होते हैं।

यद्यपि इस खोज में भारी कणों का पता नहीं चला, लेकिन इसने खोज के दायरे को सीमित करके पहेली का एक महत्वपूर्ण हिस्सा प्रदान किया। परिणाम हमें बताते हैं कि यदि भारी तटस्थ लेप्टॉन मौजूद हैं और उसी तरह से टॉप क्वार्क के साथ अंतःक्रिया करते हैं जैसा कि सिद्धांत भविष्यवाणी करता है, तो वे पहले से सोचे गए मुकाबले और भी अधिक मायावी होने चाहिए। डेटा मानक मॉडल के अनुरूप है, जो सुझाव देता है कि यदि ये भारी कण मौजूद हैं, तो वे इस विशिष्ट तंत्र के माध्यम से न्यूट्रिनो द्रव्यमान की पहेली को समझाने के लिए आवश्यक आवृत्ति के साथ टॉप क्वार्क क्षय में दिखाई नहीं देते हैं। यह सिद्धांतकारों को अपने मॉडलों के मापदंडों पर पुनर्विचार करने या इन कणों को अन्य उत्पादन चैनलों में खोजने के लिए मजबूर करता है। यह कार्य आधुनिक कण भौतिकी की सटीकता का एक प्रमाण है, जहाँ खोज का अभाव भी खोज जितना ही सूचनात्मक होता है, जो वैज्ञानिक समुदाय को ब्रह्मांड के मौलिक निर्माण खंडों को समझने के अगले चरणों की ओर मार्गदर्शन करता है।