⚛️ उच्च-ऊर्जा प्रयोग

Correlations between $\ensuremath{\mit{\Upsilon}(n\text{S})}\xspace$ production and the underlying event in $\ensuremath{p\!p}\xspace$ collisions with the ATLAS detector

13 TeV प्रोटॉन-प्रोटॉन टकराव के 139 fb $^{-1}$ डेटा का उपयोग करते हुए, ATLAS प्रयोग हार्ड $\Upsilon(n\text{S})$ उत्पादन और अंतर्निहित घटना (underlying event) के बीच सहसंबंधों की जांच करता है, जो यह प्रकट करता है कि कम अनुप्रस्थ संवेग (transverse momentum) पर उत्तेजित $\Upsilon$ (2S) और $\Upsilon$ (3S) अवस्थाओं के लिए संबद्ध आवेशित-कण बहुलता (charged-particle multiplicities), ग्राउंड स्टेट की तुलना में व्यवस्थित रूप से कम है, और यह अंतर संवेग बढ़ने के साथ घटता जाता है।

मूल लेखक: Baidyanath Sahoo (On behalf of the ATLAS Collaboration)

प्रकाशित 2026-11-11

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Baidyanath Sahoo (On behalf of the ATLAS Collaboration)

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ब्रह्मांड के केंद्र में, पदार्थ अत्यंत सूक्ष्म, मौलिक कणों से बना है जो अविश्वसनीय गति से इधर-उधर दौड़ते हैं। जब वैज्ञानिक प्रोटॉन को लगभग प्रकाश की गति पर आपस में टकराते हैं, तो वे ऊर्जा का एक अराजक विस्फोट पैदा करते हैं जहाँ ये कण बिखर जाते हैं और परस्पर क्रिया करते हैं। कभी-कभी, यह टकराव इतना हिंसक होता है कि यह थोड़े समय के लिए मुक्त रूप से चलते क्वार्क्स और ग्लूऑन्स का एक गर्म, सघन सूप बना देता है, जो प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के निर्माण खंड हैं। पदार्थ की इस अवस्था को 'क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा' के रूप में जाना जाता है, जिसे कभी केवल भारी परमाणु नाभिकों, जैसे कि सोने या सीसे के विशाल टकरावों में मौजूद माना जाता था। हालाँकि, हाल के अवलोकनों से पता चलता है कि एकल प्रोटॉन के बीच छोटे टकरावों में भी इस विलक्षण सूप के संकेत दिखाई दे सकते हैं। यह समझने के लिए कि यह कैसे होता है, भौतिक विज्ञानी "अंडरलाइंग इवेंट" (अंतर्निहित घटना) का अध्ययन करते हैं, जो मुख्य टकराव के साथ उत्पन्न होने वाले कणों की पृष्ठभूमि की गूँज है। यह देखकर कि ये पृष्ठभूमि कण विशिष्ट, भारी कणों के बनने के दौरान कैसे व्यवहार करते हैं, शोधकर्ता यह सीख सकते हैं कि टकराव का हिंसक केंद्र शांत परिवेश को कैसे प्रभावित करता है।

लार्ज हैड्रोन कोलाइडर में ATLAS डिटेक्टर का उपयोग करने वाले एक शोधकर्ता ने एक विशिष्ट भारी कण परिवार, जिसे बॉटमोनियमम कहा जाता है, पर ध्यान केंद्रित करके इस समस्या पर एक ताज़ा दृष्टिकोण अपनाया है। ये कण एक बॉटम क्वार्क और उसके प्रतिद्रव्य (एंटीमैटर) साथी से बने होते हैं, और ये तीन अलग-अलग संस्करणों में आते हैं जो उनके द्रव्यमान और उनके आपस में जुड़ने की मजबूती के आधार पर भिन्न होते हैं। वैज्ञानिक ने 13 ट्रिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट की ऊर्जा स्तर पर प्रोटॉन के लगभग 140 ट्रिलियन टकरावों का परीक्षण किया। उन्होंने उन घटनाओं की पहचान की जहाँ एक बॉटमोनियम कण का निर्माण हुआ और फिर उसी टकराव में उत्पन्न होने वाले अन्य आवेशित कणों की संख्या को सावधानीपूर्वक गिना। उन्होंने यह कार्य बॉटमोनियम के तीनों अलग-अलग संस्करणों के लिए अलग-अलग किया, प्रत्येक को एक अद्वितीय टैग के रूप में उपयोग किया ताकि यह देखा जा सके कि क्या परिवेश में परिवर्तन इस बात पर निर्भर करता है कि कौन सा संस्करण बना है।

परिणामों ने एक स्पष्ट और आश्चर्यजनक पैटर्न का खुलासा किया। जब बॉटमोनियम कण का सबसे हल्का और सबसे स्थिर संस्करण निर्मित हुआ, तो उस टकराव में काफी अधिक संख्या में सहायक आवेशित कण उत्पन्न हुए। इसके विपरीत, जब भारी, उत्तेजित संस्करणों का निर्माण हुआ, तो आसपास के कणों की संख्या उल्लेखनीय रूप से कम हो गई। सबसे कम संवेग (मोमेंटम) वाले टकरावों में, सबसे भारी संस्करण को उत्पन्न करने वाली घटनाओं में सबसे हल्के संस्करण को उत्पन्न करने वाली घटनाओं की तुलना में लगभग 17 प्रतिशत कम आवेशित कण थे। यह अंतर यादृच्छिक नहीं था; यह एक सुसंगत प्रवृत्ति थी जो डेटा में बनी रही। जैसे-जैसे बॉटमोनियम कण का संवेग बढ़ता गया, विभिन्न संस्करणों के बीच का अंतर कम होता गया, लेकिन भारी संस्करणों ने अभी भी हल्के संस्करण की तुलना में कम पृष्ठभूमि कण उत्पन्न किए।

यह खोज वर्तमान मॉडलों को चुनौती देती है जिनका उपयोग भौतिक विज्ञानी इन टकरावों का अनुकरण (सिमुलेशन) करने के लिए करते हैं। शोधकर्ता ने अपने वास्तविक दुनिया के डेटा की तुलना एक व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले कंप्यूटर सिमुलेशन प्रोग्राम के अनुमानों से की। सिमुलेशन ने सुझाव दिया कि बॉटमोनियम के तीनों संस्करणों के साथ, उनके द्रव्यमान या ऊर्जा के बावजूद, लगभग समान संख्या में पृष्ठभूमि कण होने चाहिए। सिमुलेशन उस पदानुक्रम को पुनरुत्पादित करने में विफल रहा जिसे वैज्ञानिक ने डेटा में देखा था। यहाँ तक कि जब शोधकर्ता ने सिमुलेशन को कणों के पुनर्संयोजन या क्षय के विभिन्न तरीकों को ध्यान में रखते हुए समायोजित किया, तब भी विसंगति बनी रही। यह इंगित करता है कि भारी कणों के निर्माण और आसपास के वातावरण के साथ उनकी अंतःक्रिया के बारे में हमारी वर्तमान समझ अपूर्ण है।

अध्ययन ने मुख्य टकराव के सापेक्ष अंतरिक्ष में इन कणों के वितरण को भी देखा। कणों की संख्या में अंतर केवल मुख्य कणों द्वारा एक जेट जैसी बौछार में एक-दूसरे को संतुलित करने का परिणाम नहीं था। इसके बजाय, गायब हुए कण घटना के नरम, अधिक विसरित (डिफ्यूज) पृष्ठभूमि से आए प्रतीत होते हैं। यह सुझाव देता है कि भारी, उत्तेजित बॉटमोनियम अवस्थाओं का निर्माण किसी तरह आसपास के अन्य कणों के उत्पादन को दबा देता है। शोधकर्ता निष्कर्ष निकालते हैं कि इन भारी कणों के जन्म का तरीका पूरे टकराव की गतिविधि से गहराई से जुड़ा हुआ है, और भारी कण की विशिष्ट अवस्था वहां चल रही जटिल शक्तियों के एक संवेदनशील प्रोब (सूचक) के रूप में कार्य करती है। ये माप उन सिद्धांतों के लिए एक नया और कठोर परीक्षण प्रदान करते हैं जो वर्णन करते हैं कि चरम स्थितियों में पदार्थ कैसे व्यवहार करता है, जो भारी कणों के निर्माण और टकराव की कोमल, अंतर्निहित गतिशीलता के बीच एक गहरे संबंध की ओर संकेत करते हैं।

तकनीकी सारांश: $pp $टकरावों में$ \Upsilon(nS)$ उत्पादन और अंतर्निहित घटना (Underlying Event) के बीच सहसंबंध

समस्या विवरण
LHC और RHIC पर हालिया अवलोकनों से पता चलता है कि छोटे टकराव तंत्र, जैसे कि प्रोटॉन-प्रोटॉन ($pp$) टकराव, उन संकेतों को प्रदर्शित कर सकते हैं जो आमतौर पर बड़े तंत्रों से जुड़े क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा (QGP) के समान होते हैं। जबकि सॉफ्ट सेक्टर (soft sector) में QGP-समान संकेत देखे गए हैं, हार्ड सेक्टर में पार्टोनिक ऊर्जा हानि (partonic energy loss) पर प्रतिबंध अभी भी एक विषय है। एक महत्वपूर्ण खुला प्रश्न हार्ड स्कैटरिंग प्रक्रियाओं और सॉफ्ट QCD गतिकी के बीच परस्पर क्रिया से संबंधित है, विशेष रूप से हार्ड और सॉफ्ट कण उत्पादन के बीच सहसंबंधों के संदर्भ में। CMS सहयोग द्वारा किए गए पिछले मापों ने इंगित किया था कि बढ़ते हुए आवेशित-कण बहुलता (charged-particle multiplicity) के साथ उत्तेजित $\Upsilon(nS)$ अवस्थाओं के सापेक्ष उत्पादन में कमी आती है। यह शोध पत्र इसके विपरीत दृष्टिकोण को संबोधित करता है: संबद्ध आवेशित-कण गतिविधि (अंतर्निहित घटना, या UE) को लक्षणित करने के लिए $\Upsilon(nS)$ अवस्था का एक हार्ड प्रोब (hard probe) के रूप में उपयोग करना और यह निर्धारित करना कि क्या विभिन्न बॉटमोनियम अवस्थाओं का निर्माण विशिष्ट सॉफ्ट हैड्रोनिक वातावरणों के साथ सहसंबंधित है।

कार्यप्रणाली
यह विश्लेषण ATLAS डिटेक्टर द्वारा $\sqrt{s} = 13$ TeV पर एकत्र किए गए पूर्ण Run 2 $pp$ डेटासेट का उपयोग करता है, जो 139 fb $^{-1}$ की एकीकृत ल्यूमिनोसिटी (integrated luminosity) के अनुरूप है। उन घटनाओं को बाहर रखा गया जिनमें औसतन 50 या अधिक समवर्ती अंतःक्रियाएं (simultaneous interactions) थीं, जिसके परिणामस्वरूप लगभग 33.7 का औसत पाइल-अप (pile-up) प्राप्त हुआ।

घटना चयन (Event Selection): $\Upsilon(nS)$ उम्मीदवारों को डिम्यूऑन क्षय चैनल ( $\Upsilon \to \mu^+\mu^-$ ) के माध्यम से पुनर्गठित किया गया। म्यूऑन के लिए $p_T > 4$ GeV और $|\eta| < 2.4$ की आवश्यकता थी। $8.2 < m_{\mu\mu} < 11.8$ GeV के इनवेरिएंट मास रेंज और $|y_{\mu\mu}| < 1.6$ के भीतर विपरीत आवेशित म्यूऑन युग्मों का चयन किया गया।
आवेशित कण चयन (Charged Particle Selection): प्राथमिक आवेशित कणों को $0.5 < p_T < 10$ GeV और $|\eta| < 2.5$ के साथ चुना गया। ट्रैक्स को प्राथमिक वर्टेक्स के 0.5 मिमी (ट्रांसवर्स) और 0.7 easily 0.75 मिमी (लॉन्जिट्यूडिनल) के भीतर होना आवश्यक था। $\Upsilon$ उम्मीदवार बनाने वाले म्यूऑन ट्रैक्स को आवेशित-कण प्रेक्षणों (observables) से बाहर रखा गया।
सिग्नल निष्कर्षण (Signal Extraction): तीन $\Upsilon(nS)$ चोटियों (peaks) के ओवरलैप और स्मूथ डिम्यूऑन बैकग्राउंड के कारण, विश्लेषण में पांच मास इंटरवल (तीन सिग्नल क्षेत्र और दो साइडबैंड) में आवेशित-कण वितरण को मापा गया। प्रत्येक $p_T^{\mu\mu}$ इंटरवल में तीन सिग्नल घटकों (Crystal Ball और Gaussian फंक्शन द्वारा मॉडल किए गए) और तीसरे दर्जे के बहुपद (third-degree polynomial) बैकग्राउंड का उपयोग करके एक फिट किया गया।
सुधार (Corrections): डिटेक्टर एक्सेप्टेंस, रिकंस्ट्रक्शन और ट्रिगर दक्षता को सिमुलेशन (Pythia 8, A14 ट्यून और CTEQ6L1 PDFs के साथ) और डेटा-ड्रिवन स्केल फैक्टर्स का उपयोग करके सुधारा गया। पाइल-अप योगदान का अनुमान और निष्कासन ATLAS $Z$ -टैग्ड UE मापों के लिए विकसित एक प्रक्रिया का उपयोग करके किया गया।

प्रमुख योगदान और परिणाम
इस अध्ययन ने $\Upsilon$ के ट्रांसवर्स मोमेंटम ( $p_T^{\mu\mu}$ ) के फलन के रूप में $\Upsilon(1S)$ , $\Upsilon(2S)$ , और $\Upsilon(3S)$ मेसॉन्स से जुड़े आवेशित कणों की बहुलता, ट्रांसवर्स मोमेंटम ( $p_T$ ), और अज़ीमुथल सेपरेशन ( $\Delta\phi$ ) को मापा।

बहुलता पदानुक्रम (Multiplicity Hierarchy): आवेशित-कण गतिविधि में एक स्पष्ट पदानुक्रम देखा गया। निम्नतम मापे गए $p_T^{\mu\mu}$ इंटरवल में, $\Upsilon(1S)$ मेसॉन्स वाले आयतनों में औसत आवेशित-कण बहुलता $29.5 \pm 0.7$ थी। इसके विपरीत, $\Upsilon(2S)$ और $\Upsilon(3S)$ आयतनों में व्यवस्थित रूप से कम बहुलता देखी गई, जो क्रमशः $3.6 \pm 0.4$ और $4.9 \pm 1.1$ कणों से कम थी। यह $\Upsilon(1S)$ नमूने की तुलना में $12 \pm 1\%$ और $17 \pm 4\%$ की सापेक्ष कमी के अनुरूप है।
$p_T$ निर्भरता: ग्राउंड स्टेट ( $\Upsilon(1S)$ ) और उत्तेजित अवस्थाओं ( $\Upsilon(2S)$ , $\Upsilon(3S)$ ) के बीच बहुलता का अंतर $p_T^{\mu\mu}$ बढ़ने के साथ घटता है, लेकिन पूरे मापे गए रेंज में सकारात्मक बना रहता है।
काइनेमैटिक वितरण (Kinematic Distributions): घटाए गए (subtracted) ट्रांसवर्स-मोमेंटम और अज़ीमुथल वितरण यह संकेत देते हैं कि देखे गए अंतर केवल $\Upsilon$ मोमेंटम को संतुलित करने वाली जेट गतिविधि द्वारा संचालित नहीं हैं। घटाए गए $\Delta\phi$ वितरण $\Delta\phi = \pm\pi/2$ के आसपास सकारात्मक बने रहते हैं, जो अवस्थाओं के बीच एक पर्याप्त सॉफ्ट घटक का सुझाव देते हैं।
मॉडल तुलना: उच्च बॉटमोनियम अवस्थाओं (जैसे $\chi_b$ क्षय) के फीड-डाउन योगदान के साथ और बिना, Pythia 8 भविष्यवाणियां देखे गए पदानुक्रम को दोहराने में विफल रहीं। मॉडल ने तीनों अवस्थाओं के लिए बहुत समान बहुलता की भविष्यवाणी की। कलर-रिकनेक्शन स्कीम (colour-reconnection scheme) को बदलने से भी इस विसंगति को हल करने में विफलता मिली।

महत्व
यह शोध पत्र दावा करता है कि देखा गया बहुलता पदानुक्रम बॉटमोनियम उत्पादन के मॉडलिंग और आसपास की सॉफ्ट इवेंट गतिविधि के बीच सहसंबंध पर एक कड़ा प्रतिबंध लगाता है। विशेष रूप से, डेटा इंगित करता है कि उत्तेजित बॉटमोनियम अवस्थाओं को उत्पन्न करने वाले आयतनों में ग्राउंड स्टेट्स की तुलना में व्यवस्थित रूप से कम आवेशित-कण गतिविधि होती है, और यह प्रभाव निम्न $p_T^{\mu\mu}$ पर सबसे अधिक स्पष्ट है।

लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि आवेशित-कण गतिविधि की देखी गई अवस्था-निर्भरता (state dependence), विशेष रूप से निम्न ट्रांसवर्स मोमेंटम पर, बॉटमोनियम उत्पादन और हैड्रोनिक वातावरण के बीच संबंध के गहन अध्ययन को प्रेरित करती है। परिणाम मौजूदा मोंटे कार्लो मॉडलों (विशेष रूप से Pythia 8) को क्वार्कोनियम फॉर्मेशन और सॉफ्ट QCD गतिकी के बीच के तालमेल का बेहतर वर्णन करने की चुनौती देते हैं।

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