কণার কোটি কোটি ক্ষয়ের মধ্যে ক্ষণস্থায়ী এক সংকেত
CERN-এর LHCb পরীক্ষা ২০২৪ ও ২০২৫ সালে সংগৃহীত সংঘর্ষের উপাত্ত ব্যবহার করে দুই মিউনে একটি নিরপেক্ষ বি মেসনের অত্যন্ত বিরল ক্ষয়ের পক্ষে একক কোনো পরীক্ষায় পাওয়া প্রথম প্রমাণের কথা জানিয়েছে। আগের পরিমাপের সঙ্গে মিলিয়ে সংকেতটির পরিসংখ্যানগত তাৎপর্য ৩.২ প্রমাণ বিচ্যুতিতে পৌঁছেছে। এটি প্রমাণ হিসেবে গণ্য হওয়ার জন্য যথেষ্ট, তবে পর্যবেক্ষণ হিসেবে স্বীকৃতি দিতে পদার্থবিদদের নির্ধারিত সীমার নিচে।
সূচিপত্র
২০২৬ সালের ৩ নভেম্বরের ঘোষণায় LHCb সহযোগিতা এই ফল জানায়। এর মধ্য দিয়ে ১৯৮৪ সালে শুরু হওয়া অনুসন্ধান আরও এগোল। এই ক্ষয়কে B0 → μ+μ−, বা Bd → μ+μ− লেখা হয়। এতে একটি বটম কোয়ার্ক বা অ্যান্টিকোয়ার্ক থাকা কণা রূপান্তরিত হয়ে একটি মিউন ও তার প্রতিকণা তৈরি করে।
পরিচিত মৌলিক কণা ও তাদের পারস্পরিক ক্রিয়ার বর্ণনা দেওয়া তত্ত্ব স্ট্যান্ডার্ড মডেল অনুযায়ী, প্রতি ১০ বিলিয়ন B0 মেসন ক্ষয়ে এমন ক্ষয় ঘটে আনুমানিক একবার। এই অসাধারণ বিরলতার কারণেই প্রক্রিয়াটি কাজে লাগে: অজানা কোনো কণা এর সম্ভাবনা এতটা বদলে দিতে পারে যে সূক্ষ্ম পরিমাপ করতে সক্ষম কোনো পরীক্ষা তা শনাক্ত করতে পারে।
LHCb একই সঙ্গে একটি সম্পর্কিত ক্ষয় Bs0 → μ+μ−-এর সম্ভাবনা ও কার্যকর আয়ুর সবচেয়ে নির্ভুল পরিমাপও জানিয়েছে। দুই সেট ফলই স্ট্যান্ডার্ড মডেলের সঙ্গে সামঞ্জস্যপূর্ণ। একসঙ্গে এগুলো গবেষকদের পরিচিত কণার বাইরে নতুন কণার অস্তিত্ব প্রস্তাব করা তত্ত্বগুলো আরও নিখুঁতভাবে পরীক্ষা করার সুযোগ দেয়।
ঠিক কী অদৃশ্য হয়ে যাচ্ছে?
বি মেসন হলো কোয়ার্ক ও অ্যান্টিকোয়ার্ক দিয়ে তৈরি স্বল্পস্থায়ী কণা। B0 ও Bs0 একই পরিবারের হলেও তাদের হালকা কোয়ার্ক উপাদান আলাদা: একটিতে ডাউন-ধরনের, অন্যটিতে স্ট্রেঞ্জ-ধরনের কোয়ার্ক থাকে। গঠনের এই পার্থক্যের কারণে তারা কত ঘন ঘন একজোড়া মিউন তৈরি করতে পারে, তা বদলে যায়।
মিউন ইলেকট্রনের মতো একটি মৌলিক কণা, তবে এর ভর বেশি। এই ক্ষয়গুলোতে দুটি মিউনের বৈদ্যুতিক আধান বিপরীত। গবেষকেরা তাদের গতিপথ খোঁজেন এবং মাপা বৈশিষ্ট্য ব্যবহার করে যে কণা থেকে তারা তৈরি হয়েছে, তার ভর পুনর্গঠন করেন।
স্ট্যান্ডার্ড মডেল অনুযায়ী, প্রতি বিলিয়ন Bs0 ক্ষয়ে প্রায় তিনবার এই ক্ষয় ঘটে; B0 প্রক্রিয়ার তুলনায় এটি প্রায় ৩০ গুণ বেশি। এই সম্ভাবনাগুলোকে শাখা-ক্ষয় অনুপাত বলা হয়। এগুলো বোঝায়, একটি নির্দিষ্ট ধরনের মেসনের কত অংশ একটি নির্দিষ্ট ক্ষয়পথ অনুসরণ করে। অধিকাংশ বি মেসন অন্য পথে ক্ষয় হয়, ফলে কাঙ্ক্ষিত সংকেত অনেক বেশি সংখ্যক কণার ভিড়ে চাপা পড়ে থাকে।
কেন এটিকে প্রমাণ বলা হচ্ছে
শুধু ২০২৪ ও ২০২৫ সালের উপাত্ত ব্যবহার করে LHCb তিন প্রমাণ বিচ্যুতির তাৎপর্য পেয়েছে। লার্জ হ্যাড্রন কলাইডারের আগের পরিচালনাকাল—রান ১ ও রান ২-এর উপাত্ত যোগ করায় এই মান বেড়ে ৩.২ হয়েছে।
পরিসংখ্যানগত তাৎপর্য পরিমাপ করে, কেবল পটভূমির প্রক্রিয়ার ব্যাখ্যার তুলনায় উপাত্ত একটি সংকেতকে কতটা জোরালোভাবে সমর্থন করে। মান যত বেশি, পটভূমির দৈব ওঠানামায় অন্তত এতটাই উল্লেখযোগ্য ফল পাওয়ার সম্ভাবনা তত কম। কণা পদার্থবিদেরা সাধারণত তিন প্রমাণ বিচ্যুতিকে প্রমাণের এবং পাঁচকে পর্যবেক্ষণের সীমা হিসেবে ব্যবহার করেন।
সহযোগিতাটির বর্ণনা ইচ্ছাকৃতভাবেই সুনির্দিষ্ট: B0 → μ+μ−-এর পক্ষে এটি কোনো একক পরীক্ষায় পাওয়া প্রথম প্রমাণ। LHCb ও CMS-এর যৌথ বিশ্লেষণে ২০১৫ সালেই প্রমাণের কথা জানানো হয়েছিল, তবে পরবর্তী বিশ্লেষণগুলো সেই আগের ইঙ্গিত নিশ্চিত করতে পারেনি।
নতুন পরিমাপটি নতুন উপাত্ত ব্যবহার করে অনুসন্ধানকে আবার প্রমাণের সীমার ওপরে নিয়ে এসেছে। পরিসংখ্যানগত তাৎপর্যের পরবর্তী লক্ষ্য পাঁচ প্রমাণ বিচ্যুতি। LHCb এই লক্ষ্যে পৌঁছানোর কোনো তারিখ জানায়নি।
১৯৮৪ থেকে ২০২৬ পর্যন্ত বিস্তৃত অনুসন্ধান
বিভিন্ন প্রজন্মের একাধিক পরীক্ষায় গবেষকেরা এই বিরল ক্ষয়গুলোর অনুসন্ধান করেছেন। তুলনামূলক বেশি ঘন ঘন ঘটা Bs0 প্রক্রিয়াটি প্রথমে পর্যবেক্ষণের সীমায় পৌঁছায়, যা আরও কঠিন B0 অনুসন্ধানের ভিত্তি তৈরি করে।
- ১৯৮৪: B0 → μ+μ−-এর অনুসন্ধান শুরু হয়।
- নভেম্বর ২০১২: LHCb ৩.৫ প্রমাণ বিচ্যুতিতে Bs0 → μ+μ−-এর প্রমাণ জানায়।
- মে ২০১৫: LHCb ও CMS-এর যৌথ বিশ্লেষণে ৬.২ প্রমাণ বিচ্যুতিতে Bs0 ক্ষয় পর্যবেক্ষণের কথা জানানো হয় এবং B0 ক্ষয়ের প্রাথমিক ইঙ্গিত পাওয়ার কথা বলা হয়।
- ফেব্রুয়ারি ২০১৭: LHCb এককভাবে ৭.৮ প্রমাণ বিচ্যুতিতে Bs0 ক্ষয় পর্যবেক্ষণ করে।
- ২০১৮ সাল পর্যন্ত সংগৃহীত উপাত্তের পরবর্তী বিশ্লেষণগুলো আগের B0 ইঙ্গিত নিশ্চিত করতে পারেনি।
- ২০২৪ ও ২০২৫: সর্বশেষ বিশ্লেষণে ব্যবহৃত নতুন উপাত্ত LHCb সংগ্রহ করে।
- ৩ নভেম্বর, ২০২৬: নতুন নমুনায় তিন প্রমাণ বিচ্যুতিতে এবং আগের রানগুলোর সঙ্গে মিলিয়ে ৩.২ তাৎপর্যে B0 ক্ষয়ের প্রমাণ পাওয়ার কথা LHCb জানায়।
এই ইতিহাস থেকে বোঝা যায়, গবেষকেরা কেন প্রমাণ ও পর্যবেক্ষণের মধ্যে সতর্কভাবে পার্থক্য করেন। আশাব্যঞ্জক সংকেতের জন্য আরও উপাত্ত দরকার; পরবর্তী পরিমাপ সেটিকে জোরালো করতে পারে, আবার স্বীকৃত সীমার নিচেও নামিয়ে দিতে পারে।
ডিটেক্টর কীভাবে মিউনের জোড়া খুঁজে পায়
উন্নীত LHCb ডিটেক্টর ২০১০–২০১৮ সময়ে অর্জিত হারের তুলনায় প্রায় পাঁচ গুণ দ্রুত উপাত্ত সংগ্রহ করে। প্রতি ১০ বিলিয়ন B0 ক্ষয়ে মাত্র একবার ঘটবে বলে প্রত্যাশিত একটি প্রক্রিয়ার জন্য ব্যবহারযোগ্য সংঘর্ষের আরও বেশি ঘটনা রেকর্ড করা জরুরি।
ভার্টেক্স লোকেটর, যা VELO নামে পরিচিত, কণার সৃষ্টি ও ক্ষয়ের স্থান শনাক্ত করতে সাহায্য করে। লিভারপুল বিশ্ববিদ্যালয়ের তৈরি এই ডিটেক্টরটি LHC বিম থেকে মাত্র পাঁচ মিলিমিটার দূরে কাজ করে। এর নিখুঁত ট্র্যাকিংয়ের সাহায্যে গবেষকেরা সেকেন্ডের অতি ক্ষুদ্র ভগ্নাংশ মাত্র টিকে থাকা কণার ক্ষয়স্থল নির্ণয় করতে পারেন।
মেশিন লার্নিং সম্ভাবনাময় মিউনের জোড়াকে পটভূমি থেকে আলাদা করতে সাহায্য করে। পটভূমির মধ্যে এমন অনেক প্রক্রিয়া থাকে, যেগুলো একই রকম গতিপথ বা কণার সমাবেশ তৈরি করে। এরপর গবেষকেরা প্রতিটি জোড়ার অপরিবর্তনীয় ভর পরীক্ষা করেন। মিউনগুলোর শক্তি ও ভরবেগ থেকে এই রাশি হিসাব করা হয় এবং এটি তাদের জনক কণার ভর শনাক্ত করতে পারে।
ভরের বণ্টনে Bs0 ক্ষয়ের একটি দৃশ্যমান অবদান এবং এর চেয়ে কম B0 ভরে একটি ছোট অবদান দেখা যায়। প্রতিটি ধরনের ক্ষয় কতটি ঘটেছে, তা নিরূপণ করতে LHCb পটভূমির সঙ্গে এই সংকেতগুলো একসঙ্গে মেলায়।
B0-এর উৎপাদন একটি কার্যকর সুবিধা দেয়। LHCb-এর তথ্যমতে, কলাইডারে প্রতি একটি Bs0 মেসনের বিপরীতে প্রায় চারটি B0 মেসন তৈরি হয়। একটি B0-এর দুই মিউনে ক্ষয় হওয়ার সম্ভাবনা প্রায় ৩০ গুণ কম হলেও, এর সংখ্যা বেশি থাকায় ঘটনার প্রত্যাশিত সংখ্যার পার্থক্য কমে আনুমানিক সাত গুণে দাঁড়ায়। এই তুলনা ব্যাখ্যা করে, যথেষ্ট বড় উপাত্তসমষ্টিতে আরও বিরল প্রক্রিয়াটিও কীভাবে শনাক্ত করা সম্ভব হয়।
অজানা কণা সম্পর্কে ফলটি কী জানায়
স্ট্যান্ডার্ড মডেল দুই ক্ষয়ের সম্ভাবনারই নির্ভুল পূর্বাভাস দেয়। এর সম্প্রসারিত তত্ত্বগুলো এমন কণা যুক্ত করে এই পূর্বাভাস বদলে দিতে পারে, যেগুলো ক্ষয় প্রক্রিয়ায় প্রভাব ফেলে; যদিও ডিটেক্টরে দৃশ্যমান বস্তু হিসেবে সেগুলো সরাসরি তৈরি হয় না।
অতিরিক্ত হিগস বোসন, Z′ ভেক্টর বোসন ও লেপ্টোকোয়ার্কের কথা উদাহরণ হিসেবে উল্লেখ করেছে LHCb। এগুলো তত্ত্বটির বিভিন্ন সম্প্রসারণে প্রস্তাবিত কণা। এদের সম্ভাব্য প্রভাবের কারণে, কোনো নির্দিষ্ট সংঘর্ষ পরীক্ষায় সরাসরি নাগালের বাইরে থাকা শক্তিতে পদার্থবিদ্যা অনুসন্ধানের পরোক্ষ উপায় হয়ে ওঠে বিরল ক্ষয়।
পরীক্ষাটি পরিচালনা ও বিশ্লেষণ সম্পন্ন করা LHCb সহযোগিতা সর্বশেষ পরিমাপের বর্ণনা দিয়েছে এভাবে:
আজ ঘোষিত ফলাফলগুলো SM-এর সঙ্গে সামঞ্জস্যপূর্ণ এবং এই নতুন মডেলগুলো অস্তিত্বশীল হতে পারে—এমন প্যারামিটার অঞ্চলের সীমানা আরও নিখুঁতভাবে নির্ধারণ করে
এর ব্যবহারিক ফল হলো, প্রস্তাবিত কণার ভর ও পারস্পরিক ক্রিয়ার শক্তির যেসব সমন্বয় পরীক্ষার সঙ্গে সামঞ্জস্যপূর্ণ, সেগুলোর পরিসর সংকুচিত হয়। দুই শাখা-ক্ষয় অনুপাত নিয়ে LHCb-এর যৌথ বিশ্লেষণে স্ট্যান্ডার্ড মডেলের পূর্বাভাস ৬৮.২৭% আস্থার অঞ্চলের ভেতরে রয়েছে। এই অঞ্চল পরিমাপের অনিশ্চয়তার পরিসর প্রকাশ করে।
আয়ু পরিমাপ আরেকটি পরীক্ষা কেন
মিউনের জোড়ায় ক্ষয় হওয়া Bs0 মেসনের কার্যকর আয়ুও পরিমাপ করেছে LHCb। রান ১, রান ২ ও রান ৩-এর উপাত্ত মিলিয়ে তারা পেয়েছে ১.৬০ ± ০.১৬ ± ০.০১ পিকোসেকেন্ড, যা স্ট্যান্ডার্ড মডেলের পূর্বাভাসের সঙ্গে সামঞ্জস্যপূর্ণ।
এক পিকোসেকেন্ড হলো সেকেন্ডের এক ট্রিলিয়ন ভাগের এক ভাগ। প্রথম অনিশ্চয়তাটি পরিমাপের পরিসংখ্যানগত সীমা বোঝায়; দ্বিতীয়টি পরিমাপের পদ্ধতিসংশ্লিষ্ট পদ্ধতিগত প্রভাবের হিসাব দেয়। পরিসংখ্যানগত অনিশ্চয়তা অনেক বেশি, যা দেখায় কেন আরও উপাত্ত মূল্যবান হতে পারে।
কার্যকর আয়ু নির্বাচিত Bs0 নমুনার ক্ষয়ের সময়কাল বোঝায়। স্ট্যান্ডার্ড মডেলের কিছু প্রস্তাবিত সম্প্রসারণে দুই মিউন তৈরির মোট সম্ভাবনা প্রায় অপরিবর্তিত থাকতে পারে, অথচ সময়ের সঙ্গে ক্ষয়গুলো কীভাবে বণ্টিত হয় তা বদলে যেতে পারে। তাই শুধু ক্ষয়ের সংখ্যা গণনার চেয়ে হার ও সময়—দুটিই পরিমাপ করলে আরও বেশি সম্ভাবনা যাচাই করা যায়।
B0 ও Bs0 শাখা-ক্ষয় অনুপাতের তুলনা আরেকটি পরীক্ষা দেয়। কোনো প্রস্তাবিত তত্ত্বকে দুই প্রক্রিয়ার পৃথক হার ছাড়াও তাদের পারস্পরিক সম্পর্ক ব্যাখ্যা করতে হবে। LHCb-এর সর্বশেষ ফলাফলগুলো এক বিশ্লেষণেই এই পৃথক যাচাইগুলোকে একত্র করেছে।
ক্ষুদ্রতম মাপকাঠিতে এরপর কী
LHCb নতুন ফলাফলগুলো প্রকাশের জন্য জমা দিয়েছে এবং সহযোগিতা ও তাত্ত্বিক পদার্থবিদদের মধ্যে কর্মশালার উদ্বোধনী CERN সেমিনারে উপস্থাপন করেছে। পরীক্ষার তাৎক্ষণিক লক্ষ্য হলো B0 সংকেতকে পর্যবেক্ষণের সীমার দিকে এগিয়ে নিতে এবং এর সম্ভাবনা আরও নির্ভুলভাবে মাপতে যথেষ্ট অতিরিক্ত প্রমাণ সংগ্রহ করা।
সহযোগিতাটির তথ্যমতে, আগামী দশকের মাঝামাঝি LHCb-এর আরও একটি উন্নয়নে উপাত্ত সংগ্রহের হার আরও এক মাত্রা বাড়তে পারে, অর্থাৎ প্রায় দশ গুণ। এতে দুই বিরল ক্ষয় ব্যবহার করে আরও কঠিন পরীক্ষা চালানো সম্ভব হবে।
এ ধরনের নির্ভুল পরিমাপের মাধ্যমে গবেষকেরা যে অত্যন্ত ক্ষুদ্র দূরত্ব অনুসন্ধান করতে চান, তাকে জেপ্টোভার্স বলা হয়। এক জেপ্টোমিটার হলো এক বিলিয়ন ভাগের এক বিলিয়ন ভাগের এক হাজার ভাগ মিটার। বিরল ক্ষয় অত্যন্ত ক্ষুদ্র দূরত্ব ও উচ্চ শক্তির সঙ্গে সংশ্লিষ্ট প্রভাব অনুসন্ধানের একটি পরোক্ষ পথ দেয়।
স্ট্যান্ডার্ড মডেলের বাইরে অনুসন্ধানের পেছনে ডার্ক ম্যাটার এবং মহাবিশ্বে প্রতিপদার্থের তুলনায় পদার্থের আধিক্যের উৎস খোঁজার মতো আরও বিস্তৃত প্রেরণা রয়েছে। এখানে ঘোষিত আবিষ্কারটি আরও সীমিত ও সুনির্দিষ্ট: বিদ্যমান তত্ত্বের পূর্বাভাস দেওয়া একটি বিরল ক্ষয় প্রমাণের সীমায় পৌঁছেছে, আর এর পরিমাপ করা আচরণ প্রস্তাবিত বিকল্পগুলোর ওপর আরও কঠোর সীমা আরোপ করছে।
মূল বিষয়গুলো
- ১৯৮৪ সালে শুরু হওয়া অনুসন্ধানের পর, একক কোনো পরীক্ষায় B0 → μ+μ−-এর পক্ষে প্রথম প্রমাণ পাওয়ার কথা জানিয়েছে LHCb।
- ২০২৪ ও ২০২৫ সালের উপাত্তে তাৎপর্য তিন প্রমাণ বিচ্যুতিতে পৌঁছেছে; আগের রানগুলোর উপাত্ত যোগ করলে তা বেড়ে ৩.২ হয়।
- স্ট্যান্ডার্ড মডেল অনুযায়ী, প্রতি ১০ বিলিয়ন B0 ক্ষয়ে এমন ক্ষয় আনুমানিক একবার ঘটে।
- নতুন ক্ষয়-পরিমাপগুলো স্ট্যান্ডার্ড মডেলের সঙ্গে সামঞ্জস্যপূর্ণ এবং অতিরিক্ত কণার সম্ভাব্য পরিসর সংকুচিত করে।
- সম্পর্কিত Bs0 ক্ষয়ের কার্যকর আয়ু LHCb মেপেছে ১.৬০ ± ০.১৬ ± ০.০১ পিকোসেকেন্ড।
- B0 ক্ষয়কে পর্যবেক্ষণ হিসেবে স্বীকৃতি দেওয়ার লক্ষ্য এখনো পাঁচ প্রমাণ বিচ্যুতি।
