अरबों कण क्षयों के बीच एक क्षणिक संकेत
CERN के LHCb प्रयोग ने 2024 और 2025 में जुटाए गए टक्कर के आंकड़ों का उपयोग करते हुए, एक ही प्रयोग से पहली बार इस बात के प्रमाण मिलने की जानकारी दी है कि एक उदासीन B मेसॉन का क्षय होकर दो म्यूऑन बनते हैं। पहले के मापों को मिलाने पर इस संकेत का सांख्यिकीय महत्व 3.2 मानक विचलन तक पहुंचता है। यह प्रमाण कहलाने के लिए पर्याप्त है, लेकिन उस सीमा से कम है जिसे भौतिक विज्ञानी किसी खोज की पुष्टि के लिए जरूरी मानते हैं।
विषय-सूची
- अरबों कण क्षयों के बीच एक क्षणिक संकेत
- आखिर कौन-सा कण गायब हो रहा है?
- इसे प्रमाण क्यों माना जा रहा है
- 1984 से 2026 तक फैली खोज
- डिटेक्टर म्यूऑन की जोड़ियों को कैसे खोजता है
- यह नतीजा अज्ञात कणों के बारे में क्या बताता है
- जीवनकाल का माप एक और जांच क्यों जोड़ता है
- अत्यंत सूक्ष्म पैमानों पर आगे क्या होगा
- मुख्य बिंदु
2026 में LHCb सहयोग की ओर से 3 नवंबर की घोषणा में बताए गए ये नतीजे उस खोज को आगे बढ़ाते हैं, जो 1984 में शुरू हुई थी। इस क्षय को B0 → μ+μ− लिखा जाता है और इसे Bd → μ+μ− भी कहा जाता है। इसमें बॉटम क्वार्क या उसके प्रतिक्वार्क वाला एक कण बदलकर एक म्यूऑन और उसका प्रतिकण बन जाता है।
ज्ञात मूलभूत कणों और उनकी पारस्परिक क्रियाओं का वर्णन करने वाला सिद्धांत, मानक मॉडल, अनुमान लगाता है कि हर 10 अरब B0 मेसॉन क्षयों में लगभग एक ऐसा क्षय होता है। इसकी असाधारण दुर्लभता ही इसे उपयोगी बनाती है: कोई अज्ञात कण इसकी संभावना को इतना बदल सकता है कि सटीक प्रयोग उसे देख सके।
LHCb ने इससे जुड़े Bs0 → μ+μ− क्षय की संभावना और प्रभावी जीवनकाल के अपने अब तक के सबसे सटीक माप भी बताए। दोनों नतीजे मानक मॉडल से मेल खाते हैं। साथ मिलकर, ये शोधकर्ताओं को ज्ञात कणों से परे कणों का प्रस्ताव करने वाले सिद्धांतों की अधिक सटीक जांच करने का तरीका देते हैं।
आखिर कौन-सा कण गायब हो रहा है?
B मेसॉन अल्पजीवी कण होते हैं, जो एक क्वार्क और एक प्रतिक्वार्क से बने होते हैं। B0 और Bs0 एक ही परिवार के हैं, लेकिन इनके हल्के क्वार्क घटक अलग हैं: एक में डाउन प्रकार का क्वार्क शामिल है और दूसरे में स्ट्रेंज प्रकार का। उनकी अलग संरचना से यह बदलता है कि वे कितनी बार म्यूऑन की एक जोड़ी बना सकते हैं।
म्यूऑन इलेक्ट्रॉन जैसा एक मूलभूत कण है, लेकिन उससे भारी होता है। इन क्षयों में दोनों म्यूऑन पर विपरीत विद्युत आवेश होते हैं। शोधकर्ता उनके पथ खोजते हैं और मापे गए गुणों का उपयोग करके उस कण का द्रव्यमान फिर से निर्धारित करते हैं जिसने उन्हें पैदा किया।
मानक मॉडल के अनुसार Bs0 क्षय हर एक अरब क्षयों में लगभग तीन बार होता है, यानी B0 प्रक्रिया से करीब 30 गुना अधिक। इन संभावनाओं को शाखन अंश कहा जाता है। ये बताती हैं कि किसी खास तरह के मेसॉन का कितना हिस्सा एक निश्चित क्षय मार्ग अपनाता है। अधिकांश B मेसॉन दूसरे मार्गों से गायब हो जाते हैं, जिससे वांछित संकेत कणों की कहीं बड़ी संख्या के बीच दबा रहता है।
इसे प्रमाण क्यों माना जा रहा है
LHCb को केवल 2024 और 2025 के नमूने का उपयोग करने पर तीन मानक विचलन का सांख्यिकीय महत्व मिला। लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर के पहले परिचालन काल, रन 1 और रन 2, के आंकड़े जोड़ने पर यह आंकड़ा बढ़कर 3.2 हो गया।
सांख्यिकीय महत्व बताता है कि आंकड़े केवल पृष्ठभूमि पर आधारित व्याख्या की तुलना में किसी संकेत का कितना समर्थन करते हैं। बड़ी संख्या का अर्थ है कि पृष्ठभूमि में होने वाले आकस्मिक उतार-चढ़ाव से कम संभावना है कि कम से कम इतना उल्लेखनीय नतीजा मिले। कण भौतिक विज्ञानी आम तौर पर तीन मानक विचलन को प्रमाण और पांच को खोज की पुष्टि की सीमा मानते हैं।
सहयोग ने अपने विवरण में जानबूझकर सटीक शब्दों का इस्तेमाल किया है: यह B0 → μ+μ− के लिए किसी एक प्रयोग से मिला पहला प्रमाण है। LHCb और CMS के संयुक्त विश्लेषण ने 2015 में पहले ही प्रमाण मिलने की सूचना दी थी, लेकिन बाद के विश्लेषण उस शुरुआती संकेत की पुष्टि नहीं कर सके।
नया माप नए आंकड़ों के साथ खोज को फिर से प्रमाण की सीमा के ऊपर ले आता है। अगला सांख्यिकीय लक्ष्य पांच मानक विचलन तक पहुंचना है। LHCb ने इसे हासिल करने की कोई तारीख नहीं दी।
1984 से 2026 तक फैली खोज
शोधकर्ताओं ने कई पीढ़ियों के प्रयोगों में इन दुर्लभ क्षयों की खोज की है। अधिक बार होने वाली Bs0 प्रक्रिया पहले खोज की पुष्टि की सीमा तक पहुंची और इससे कठिन B0 खोज के लिए आधार तैयार हुआ।
- 1984: B0 → μ+μ− की खोज शुरू हुई।
- नवंबर 2012: LHCb ने Bs0 → μ+μ− के लिए 3.5 मानक विचलन पर प्रमाण मिलने की जानकारी दी।
- मई 2015: LHCb और CMS के संयुक्त विश्लेषण ने 6.2 मानक विचलन पर Bs0 क्षय की खोज की पुष्टि की और B0 क्षय का शुरुआती संकेत मिलने की सूचना दी।
- फरवरी 2017: LHCb ने अकेले 7.8 मानक विचलन पर Bs0 क्षय की खोज की पुष्टि की।
- 2018 तक जुटाए गए आंकड़ों पर बाद के विश्लेषण शुरुआती B0 संकेत की पुष्टि नहीं कर सके।
- 2024 और 2025: LHCb ने नवीनतम विश्लेषण में इस्तेमाल किए गए नए आंकड़े जुटाए।
- 3 नवंबर 2026: LHCb ने नए नमूने में तीन मानक विचलन पर और पहले के रन के आंकड़ों को मिलाकर 3.2 पर B0 क्षय के प्रमाण मिलने की घोषणा की।
यह इतिहास बताता है कि शोधकर्ता प्रमाण और खोज की पुष्टि के बीच सावधानी से फर्क क्यों करते हैं। किसी आशाजनक संकेत की पुष्टि के लिए और आंकड़ों की जरूरत होती है, और बाद के माप उसे मजबूत कर सकते हैं या स्वीकृत सीमा से नीचे ला सकते हैं।
डिटेक्टर म्यूऑन की जोड़ियों को कैसे खोजता है
LHCb का उन्नत डिटेक्टर 2010–2018 के दौरान हासिल की गई दर से लगभग पांच गुना अधिक दर पर आंकड़े जुटाता है। ऐसी प्रक्रिया के लिए, जो हर 10 अरब B0 क्षयों में केवल एक बार होने की अपेक्षा है, अधिक उपयोगी टक्करों को दर्ज करना जरूरी है।
वर्टेक्स लोकेटर, जिसे VELO के नाम से जाना जाता है, यह पहचानने में मदद करता है कि कण कहां बने और उनका क्षय कहां हुआ। यूनिवर्सिटी ऑफ लिवरपूल द्वारा असेंबल किया गया यह डिटेक्टर LHC बीम से सिर्फ पांच मिलीमीटर दूर काम करता है। इसकी सटीक ट्रैकिंग से शोधकर्ता उन कणों के क्षय बिंदु पता लगा सकते हैं जो सेकंड के बेहद छोटे अंश तक ही जीवित रहते हैं।
मशीन लर्निंग से आशाजनक म्यूऑन जोड़ियों को पृष्ठभूमि से अलग करने में मदद मिलती है। पृष्ठभूमि में ऐसी कई दूसरी प्रक्रियाएं शामिल हैं जो मिलते-जुलते पथ या कणों के संयोजन पैदा करती हैं। इसके बाद शोधकर्ता हर जोड़ी के अपरिवर्तनीय द्रव्यमान की जांच करते हैं। म्यूऑन की ऊर्जा और संवेग से गणना की जाने वाली यह मात्रा उनके जनक कण के द्रव्यमान की पहचान कर सकती है।
द्रव्यमान वितरण में Bs0 क्षयों का स्पष्ट योगदान और उससे कम B0 द्रव्यमान पर एक छोटा योगदान दिखाई देता है। LHCb इन संकेतों और पृष्ठभूमि को एक साथ मिलाकर आंकता है कि हर प्रकार के कितने क्षय मौजूद हैं।
B0 का उत्पादन एक उपयोगी लाभ देता है। LHCb के अनुसार, कोलाइडर हर Bs0 मेसॉन के मुकाबले लगभग चार B0 मेसॉन पैदा करता है। हालांकि किसी एक B0 के दो म्यूऑन में क्षय होने की संभावना लगभग 30 गुना कम होती है, लेकिन उसकी अधिक संख्या से अपेक्षित घटनाओं के बीच का अंतर घटकर लगभग सात गुना रह जाता है। यह तुलना समझने में मदद करती है कि पर्याप्त बड़े आंकड़ा-समूह में दुर्लभ प्रक्रिया का अध्ययन कैसे संभव होता है।
यह नतीजा अज्ञात कणों के बारे में क्या बताता है
मानक मॉडल दोनों क्षयों की संभावनाओं के लिए सटीक अनुमान देता है। इसे विस्तारित करने वाले सिद्धांत इन अनुमानों को ऐसे कण जोड़कर बदल सकते हैं जो क्षय प्रक्रिया को प्रभावित करते हैं, भले ही वे कण डिटेक्टर में सीधे दिखाई देने वाले रूप में पैदा न हों।
LHCb ने अतिरिक्त हिग्स बोसॉन, Z′ वेक्टर बोसॉन और लेप्टोक्वार्क को इसके उदाहरण बताया है। ये सिद्धांत के अलग-अलग विस्तारों में प्रस्तावित कण हैं। उनका संभावित प्रभाव दुर्लभ क्षयों को उन ऊर्जाओं पर भौतिकी की अप्रत्यक्ष खोज का तरीका बनाता है, जो किसी खास टक्कर प्रयोग की सीधी पहुंच से परे हैं।
प्रयोग चलाने और विश्लेषण करने वाले LHCb सहयोग ने नवीनतम मापों का वर्णन इस तरह किया:
आज घोषित किए गए नतीजे, जो SM से मेल खाते हैं, उन मापदंड क्षेत्रों को और अधिक सटीक रूप से सीमित करते हैं जिनमें ये नए मॉडल संभव हो सकते हैं
व्यावहारिक रूप से, इससे प्रस्तावित कणों के द्रव्यमान और उनकी पारस्परिक क्रिया की तीव्रता के उन संयोजनों की गुंजाइश घटती है जो प्रयोग के अनुरूप रह सकते हैं। दोनों शाखन अंशों के LHCb के संयुक्त विश्लेषण में मानक मॉडल का अनुमान 68.27% विश्वास क्षेत्र के भीतर आता है। यह क्षेत्र माप की अनिश्चितता को दर्शाता है।
जीवनकाल का माप एक और जांच क्यों जोड़ता है
LHCb ने उन Bs0 मेसॉनों का प्रभावी जीवनकाल भी मापा जिनका क्षय होकर म्यूऑन की जोड़ी बनती है। रन 1, रन 2 और रन 3 के आंकड़ों को मिलाकर इसका मान 1.60 ± 0.16 ± 0.01 पिकोसेकंड आया, जो मानक मॉडल के अनुमान से मेल खाता है।
एक पिकोसेकंड सेकंड का दस खरबवां हिस्सा होता है। पहली अनिश्चितता माप की सांख्यिकीय सीमाओं को दर्शाती है; दूसरी मापने के तरीके से जुड़े व्यवस्थित प्रभावों को शामिल करती है। सांख्यिकीय अनिश्चितता बहुत बड़ी है, जिससे पता चलता है कि अतिरिक्त आंकड़े क्यों उपयोगी हो सकते हैं।
प्रभावी जीवनकाल चुने गए Bs0 नमूने में क्षय होने के समय का वर्णन करता है। मानक मॉडल के कुछ प्रस्तावित विस्तार दो म्यूऑन पैदा होने की कुल संभावना को लगभग अपरिवर्तित रखते हुए भी समय के साथ इन क्षयों के वितरण को बदल सकते हैं। इसलिए, केवल क्षयों की गिनती करने की तुलना में उनकी आवृत्ति और समय, दोनों का माप अधिक संभावनाओं की जांच करता है।
B0 और Bs0 शाखन अंशों का अनुपात एक और तुलना का आधार देता है। किसी प्रस्तावित सिद्धांत को दोनों प्रक्रियाओं की अलग-अलग दरों के साथ-साथ उनके बीच के संबंध की भी व्याख्या करनी होगी। LHCb के नवीनतम नतीजे इन अलग-अलग जांचों को एक विश्लेषण में जोड़ते हैं।
अत्यंत सूक्ष्म पैमानों पर आगे क्या होगा
LHCb ने नए नतीजे प्रकाशन के लिए भेजे और उन्हें CERN के एक सेमिनार में प्रस्तुत किया, जिसने सहयोग और सैद्धांतिक भौतिकविदों के बीच कार्यशाला की शुरुआत की। प्रयोग के स्तर पर तात्कालिक काम इतना अतिरिक्त प्रमाण जुटाना है कि B0 संकेत खोज की पुष्टि की सीमा की ओर बढ़े और उसकी संभावना का अधिक सटीक माप हो सके।
सहयोग के अनुसार, अगले दशक के मध्य में LHCb का एक और उन्नयन आंकड़े जुटाने की दर को दस गुना, यानी एक क्रम, बढ़ा सकता है। इससे दोनों दुर्लभ क्षयों का इस्तेमाल करते हुए अधिक चुनौतीपूर्ण जांचों को समर्थन मिलेगा।
जेप्टोवर्स उन बेहद छोटी दूरियों के लिए इस्तेमाल किया गया शब्द है जिनकी शोधकर्ता ऐसे सटीक मापों के जरिए जांच करने की उम्मीद करते हैं। एक जेप्टोमीटर, मीटर के एक अरबवें हिस्से के एक हजारवें हिस्से के बराबर होता है। दुर्लभ क्षय उन प्रभावों की जांच का अप्रत्यक्ष रास्ता देते हैं जो बहुत छोटी दूरियों और उच्च ऊर्जाओं से जुड़े हैं।
मानक मॉडल से परे खोज की व्यापक प्रेरणाओं में डार्क मैटर और ब्रह्मांड में प्रतिपदार्थ की तुलना में पदार्थ की अधिकता की उत्पत्ति शामिल हैं। यहां घोषित नतीजा इससे सीमित और ठोस है: मौजूदा सिद्धांत द्वारा अनुमानित एक दुर्लभ क्षय प्रमाण की सीमा तक पहुंच गया है, जबकि उसका मापा गया व्यवहार प्रस्तावित विकल्पों पर शोधकर्ताओं की पाबंदियों को और सख्त करता है।
मुख्य बिंदु
- LHCb ने B0 → μ+μ− के लिए किसी एक प्रयोग से मिले पहले प्रमाण की जानकारी दी। इसकी खोज 1984 में शुरू हुई थी।
- 2024 और 2025 के आंकड़े तीन मानक विचलन तक पहुंचते हैं; पहले के रन जोड़ने पर सांख्यिकीय महत्व 3.2 हो जाता है।
- मानक मॉडल के अनुसार हर 10 अरब B0 क्षयों में लगभग एक ऐसा क्षय होता है।
- क्षय के नए माप मानक मॉडल से मेल खाते हैं और अतिरिक्त कणों की संभावित गुंजाइश को सीमित करते हैं।
- LHCb ने इससे जुड़े Bs0 क्षय का प्रभावी जीवनकाल 1.60 ± 0.16 ± 0.01 पिकोसेकंड मापा।
- B0 क्षय की खोज की पुष्टि के लिए पांच मानक विचलन तक पहुंचना अभी लक्ष्य है।
