सीईआरएन वैज्ञानिकों ने एलएचसी त्वरक पर दो आकर्षण क्वार्क के साथ नए शी-सीसी-प्लस कण की खोज की
यूरोपीय परमाणु अनुसंधान संगठन के शोधकर्ताओं की टीम ने लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर में स्थित एलएचसीबी प्रयोग के माध्यम से एक नए उप-परमाणु कण की पहचान की घोषणा की। संरचना की खोज, जिसे आधिकारिक तौर पर शी-सीसी-प्लस नाम दिया गया है, ब्रह्मांड को बनाने वाले मूलभूत पदार्थ और क्वांटम पैमाने पर काम करने वाली ताकतों को समझने में एक महत्वपूर्ण प्रगति का प्रतिनिधित्व करती है। इस खोज की घोषणा रेनकॉन्ट्रेस डी मोरियनड इलेक्ट्रोवीक वैज्ञानिक सम्मेलन के दौरान की गई थी, जो उच्च-ऊर्जा भौतिकी में सबसे प्रतिष्ठित घटनाओं में से एक थी, जिसमें कोलाइडर के हालिया परिणामों पर बहस करने के लिए दुनिया के विभिन्न हिस्सों के विशेषज्ञों को एक साथ लाया गया था।
नए कण को बेरियोन के रूप में वर्गीकृत किया गया है और इसकी संरचना प्रकृति में दुर्लभ मानी जाती है, जिसमें दो चार्म क्वार्क और एक डाउन क्वार्क शामिल हैं। टीम द्वारा किए गए कठोर माप से पता चलता है कि इस कण का द्रव्यमान लगभग 3620 MeV/c² है, जो इसे एक सामान्य प्रोटॉन से लगभग चार गुना भारी बनाता है। यह अत्यधिक उच्च द्रव्यमान इसके नाभिक में दो भारी क्वार्कों की उपस्थिति का प्रत्यक्ष परिणाम है, एक विशेषता जो इसे रोजमर्रा की जिंदगी में देखे गए अधिकांश कणों से अलग करती है।
इस ऐतिहासिक पुष्टि के लिए डेटा एलएचसीबी डिटेक्टर के एक नए अद्यतन संस्करण का उपयोग करके पूरे वर्ष 2024 में एकत्र किया गया था। उपकरण की संवेदनशीलता और प्रसंस्करण क्षमता को बढ़ाने के लिए गहन संशोधनों से गुजरना पड़ा, जिससे टक्कर की घटनाओं को यूरोपीय त्वरक के इतिहास में अभूतपूर्व सटीकता के साथ दर्ज किया जा सका। इन टकरावों के विश्लेषण से कण के स्पष्ट हस्ताक्षर का पता चला, जो दशकों पहले स्थापित सैद्धांतिक भविष्यवाणियों की पुष्टि करता है।
न्यू बेरियोन की संरचना और रचना
कण भौतिकी में, बैरियन को तीन क्वार्क से बने कणों के रूप में परिभाषित किया गया है, जिसमें प्रोटॉन और न्यूट्रॉन दृश्यमान पदार्थ की संरचना में सबसे प्रसिद्ध और सबसे प्रचुर उदाहरण हैं। हालाँकि, जबकि साधारण पदार्थ प्रकाश के ऊपर और नीचे के क्वार्क से बना होता है, Xi-cc-plus कण बहुत अधिक विदेशी और जटिल परिवार से संबंधित है। दो आकर्षक क्वार्कों की उपस्थिति, जो मौलिक कणों की दूसरी पीढ़ी से संबंधित हैं, इस बेरिऑन को अद्वितीय गतिशील गुण प्रदान करती है। भौतिक विज्ञानी इस विशिष्ट विन्यास को एक लघु ग्रह प्रणाली के रूप में वर्णित करते हैं, जहां दो भारी क्वार्क एक दूसरे के बहुत करीब परिक्रमा करते हैं, जिससे एक घना, कॉम्पैक्ट कोर बनता है, जबकि काफी हल्का क्वार्क इस केंद्रीय जोड़ी को एक व्यापक कक्षा में घेरता है।
अपने उच्च द्रव्यमान और अंतर्निहित अस्थिरता के कारण, Xi-cc-plus कण आज प्रकृति में स्थायी रूप से मौजूद नहीं है, कोलाइडर की 27 किलोमीटर की रिंग के भीतर बहुत उच्च-ऊर्जा टकराव में बनने के बाद एक सेकंड के एक छोटे से अंश में क्षय हो जाता है। CERN के डिटेक्टर सीधे कण का निरीक्षण नहीं करते हैं, बल्कि इसके तीव्र क्षय के परिणामस्वरूप उत्पन्न होने वाले उत्पादों का निरीक्षण करते हैं। अनुसंधान टीम ने अन्य हल्के कणों, विशेष रूप से Λc⁺ बेरिऑन, K⁻ मेसन और π⁺ मेसन में इसके परिवर्तन को ट्रैक करके Xi-cc-plus के हस्ताक्षर की पहचान की। उच्च परिशुद्धता वाले सिलिकॉन सेंसर का उपयोग करके इस उपपरमाण्विक मलबे के प्रक्षेप पथ के सटीक पुनर्निर्माण ने वैज्ञानिकों को मूल द्रव्यमान की गणना करने और अत्यधिक स्पष्टता और त्रुटि के लिए न्यूनतम मार्जिन के साथ मूल बेरियन के अस्तित्व की पुष्टि करने की अनुमति दी।
हैड्रॉन कोलाइडर का तकनीकी अद्यतन
इस पहचान की सफलता सीधे वर्तमान डेटा संग्रह अवधि की शुरुआत से पहले एलएचसीबी प्रयोग में लागू किए गए इंजीनियरिंग सुधारों से जुड़ी हुई है, जिसे रन 3 के रूप में जाना जाता है। 13.6 TeV तक पहुंचने वाली ऊर्जा पर काम करते हुए, काफी उच्च टकराव दर का समर्थन करने के लिए कण ट्रैकिंग प्रणाली को पूरी तरह से फिर से डिजाइन किया गया है।
इस खोज के लिए सबसे महत्वपूर्ण नवाचारों में से एक पूरी तरह से उन्नत सॉफ्टवेयर पर आधारित ट्रिगर सिस्टम को अपनाना था। प्रारंभिक घटनाओं को फ़िल्टर करने के लिए कठोर हार्डवेयर पर निर्भर रहने के बजाय, कॉम्प्लेक्स के कंप्यूटर अब वास्तविक समय में प्रति सेकंड लाखों टकरावों की प्रक्रिया करते हैं, और तुरंत निर्णय लेते हैं कि क्या रिकॉर्ड किया जाना चाहिए।
इस अभूतपूर्व प्रसंस्करण शक्ति ने डिटेक्टर को विशिष्ट क्षय पैटर्न की पहचान करने की अनुमति दी जो पहले पुरानी प्रणाली द्वारा ध्यान नहीं दिया गया था। नई तकनीकी व्यवस्था की दक्षता के परिणामस्वरूप बड़ी मात्रा में स्वच्छ डेटा प्राप्त हुआ जिसने शोधकर्ताओं के लिए जटिल सांख्यिकीय विश्लेषण को अंततः व्यवहार्य बना दिया।
कण भौतिकी में प्रबल बल को समझना
यह खोज प्रकृति की चार मूलभूत शक्तियों में से एक, मजबूत परमाणु शक्ति का अध्ययन करने के लिए एक प्राकृतिक, उच्च नियंत्रित प्रयोगशाला प्रदान करती है। यह बल मुख्य रूप से बैरियन और मेसॉन के अंदर क्वार्क को एक साथ रखने और परमाणु नाभिक को विघटित होने से रोकने के लिए जिम्मेदार है।
वह सिद्धांत जो उपपरमाण्विक स्तर पर इस अंतःक्रिया का वर्णन करता है, क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स के रूप में जाना जाता है। यद्यपि यह गणितीय रूप से मजबूत सिद्धांत है, क्वार्क कुछ ऊर्जा पैमानों पर कैसे बातचीत करते हैं, इसकी सटीक गणना करना एक अत्यंत जटिल प्रक्रिया है जिसके लिए समर्पित सुपर कंप्यूटर के उपयोग की आवश्यकता होती है।
दो भारी क्वार्क वाले बैरियन इस विशाल गणितीय जटिलता को सरल बनाते हैं। चार्म क्वार्क और प्रकाश क्वार्क के बीच द्रव्यमान में अंतर ऊर्जा पैमाने का स्पष्ट पृथक्करण बनाता है, जिससे सैद्धांतिक भौतिकविदों को अपने गणना मॉडल में अधिक सटीक सन्निकटन विधियों का उपयोग करने की अनुमति मिलती है।
उच्च प्रायोगिक परिशुद्धता के साथ शी-सीसी-प्लस कण के द्रव्यमान और जीवनकाल को मापकर, वैज्ञानिक इन सैद्धांतिक भविष्यवाणियों का सीधे परीक्षण कर सकते हैं। कागज पर गणना किए गए मूल्य और कोलाइडर पर मापे गए मूल्य के बीच कोई भी महत्वपूर्ण विचलन मानक सिद्धांत में समायोजन की आवश्यकता का संकेत दे सकता है।
डेटा विश्लेषण और अंतर्राष्ट्रीय सहयोग
डेटा सत्यापन प्रक्रिया में बीस से अधिक देशों के दर्जनों अनुसंधान संस्थानों और विश्वविद्यालयों का प्रतिनिधित्व करने वाले एक हजार से अधिक वैज्ञानिकों का संयुक्त प्रयास शामिल था। विश्लेषण के लिए निम्नलिखित सत्यापन मापदंडों का उपयोग करके नए कण से वास्तविक सिग्नल को अलग करने के लिए अरबों पृष्ठभूमि घटनाओं को फ़िल्टर करने की आवश्यकता होती है:
– प्राथमिक टकराव बिंदु से प्रक्षेप पथ का पुनर्निर्माण।
– क्षय के परिणामस्वरूप कणों की उड़ान के समय का मापन।
– उपपरमाण्विक मलबे के विद्युत आवेश की सटीक पहचान।
– सामान्य कणों द्वारा उत्पन्न सांख्यिकीय शोर का उन्मूलन।
भारी क्वार्कों के साथ अनुसंधान का इतिहास
दोगुने भारी बेरियनों की खोज CERN के व्यापक भौतिकी कार्यक्रम में एक लंबे समय से चला आ रहा लक्ष्य रहा है, जो दशकों की योजना और इंजीनियरिंग को प्रेरित करता है। इस विशिष्ट क्षेत्र में पिछला मील का पत्थर 2017 में आया था, जब उसी अंतर्राष्ट्रीय एलएचसीबी सहयोग ने बहन कण, शी-सीसी-प्लस-प्लस की खोज की घोषणा की थी, जिसमें इसकी आंतरिक संरचना में दो चार्म क्वार्क और एक अप क्वार्क शामिल हैं। Xi-cc-plus की वर्तमान पहचान, जो अप क्वार्क को डाउन से प्रतिस्थापित करती है, कण भौतिकी के मानक मॉडल द्वारा अनुमानित एक महत्वपूर्ण आइसोस्पिन डबलट को पूरा करती है। इन दो बहन कणों के द्रव्यमान और जीवनकाल के बीच सीधी तुलना इस बारे में बेहद मूल्यवान जानकारी प्रदान करती है कि विद्युत चुम्बकीय बल लगभग अथाह उप-परमाणु दूरी पर मजबूत बल के साथ मिलकर कैसे कार्य करता है। उनके बीच द्रव्यमान में अंतर छोटा है, लेकिन यह बिग बैंग के तुरंत बाद प्रारंभिक ब्रह्मांड में समरूपता के टूटने के बारे में महत्वपूर्ण डेटा रखता है। पहली खोज और वर्तमान खोज के बीच आवश्यक समय डाउन क्वार्क के साथ राज्य का उत्पादन करने की अत्यधिक कठिनाई को दर्शाता है, जिसके लिए त्वरक की चमक में पर्याप्त वृद्धि और निर्बाध टकराव के वर्षों के संचय की आवश्यकता होती है ताकि इसके अस्तित्व को निर्विवाद रूप से साबित करने के लिए पर्याप्त आंकड़े उत्पन्न हो सकें।
यूरोपीय प्रयोग के अगले चरण
त्वरक अपनी अधिकतम चमक क्षमता पर काम कर रहा है, निरंतर डेटा संग्रह ज्ञात कणों की सूची को और विस्तारित करने का वादा करता है। शोधकर्ता अब Xi-cc-plus के अतिरिक्त गुणों को मापने पर ध्यान केंद्रित करेंगे, जैसे कि इसकी सटीक उत्पादन दर और विभिन्न चैनल जिनके माध्यम से इसका क्षय हो सकता है, इसकी गतिशीलता की समझ को मजबूत किया जा सकता है।
तकनीकी प्रभाव और टकराव प्रसंस्करण
इन टकरावों से उत्पन्न जानकारी की मात्रा के लिए वैश्विक स्तर पर वितरित कंप्यूटिंग बुनियादी ढांचे की आवश्यकता होती है। CERN का नेटवर्क सिस्टम डेटा के टुकड़े कई महाद्वीपों पर प्रसंस्करण केंद्रों को भेजता है, जहां मशीन लर्निंग एल्गोरिदम विसंगतियों और नए संकेतों की पहचान करने में मदद करते हैं।
शी-सीसी-प्लस विश्लेषण के अंतिम परिणाम में एक अत्यंत स्पष्ट सामूहिक शिखर दिखा, जो लगभग 915 स्वतंत्र रूप से दर्ज की गई घटनाओं के अनुरूप था। खोज का सांख्यिकीय महत्व 7 मानक विचलन चिह्न को पार कर गया, एक ऐसा मूल्य जो आधिकारिक खोज घोषित करने के लिए वैज्ञानिक समुदाय द्वारा आवश्यक सख्त सीमा से कहीं अधिक है, जिससे सांख्यिकीय उतार-चढ़ाव की संभावना समाप्त हो जाती है।
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