शीर्ष क्वार्क

शीर्ष क्वार्क, जिसे कभी-कभी सत्य क्वार्क भी कहा जाता है, (प्रतीक: t) सभी देखे गए प्राथमिक कण में सबसे भारी है। यह अपने द्रव्यमान को इसके युग्मन से हिग्स बॉसन तक प्राप्त करता है। यह कपलिंग $$y_{t}$$ एकता के बहुत समीप है; कण भौतिकी के मानक मॉडल में, यह अशक्त अंतःक्रियाओं और ऊपर के पैमाने पर सबसे बड़ा (सबसे मजबूत) युग्मन है। टॉप क्वार्क की खोज 1995 में फर्मीलैब में सीडीएफ द्वारा और DØ द्वारा की गई थी। 

अन्य सभी क्वार्क की तरह, शीर्ष क्वार्क स्पिन (भौतिकी) स्पिन $172.76 GeV/c2$ के साथ फर्मियन है। और सभी चार मौलिक इंटरैक्शन में भाग लेता है: गुरुत्वाकर्षण, विद्युत चुंबकत्व, अशक्त इंटरैक्शन और मजबूत इंटरैक्शन। इसका विद्युत् का आवेश + है $5 s$ प्रारंभिक शुल्क इसका क्वार्क द्रव्यमान$2⁄3$ होता है, जो रेनीयाम परमाणु द्रव्यमान के समीप है। शीर्ष क्वार्क का प्रतिकण शीर्ष प्रतिक्वार्क है (प्रतीक: $1⁄2$, जिसे कभी-कभी एंटीटॉप क्वार्क या केवल एंटीटॉप कहा जाता है), जो इससे अलग है कि इसके कुछ गुणों में आवेश संयुग्मन होता है।

शीर्ष क्वार्क मजबूत अंतःक्रिया के ग्लून्स के साथ परस्पर क्रिया करता है और सामान्यतः इस अंतःक्रिया के माध्यम से हैड्रॉन कोलाइडर में निर्मित होता है। चूँकि, एक बार उत्पादित होने पर, शीर्ष (या एंटीटॉप) अशक्त बल के माध्यम से ही क्षय हो सकता है। यह डब्ल्यू बोसोन और या तो निचला क्वार्क (अधिकांशतः), विचित्र क्वार्क, या दुर्लभ अवसरों पर, डाउन क्वार्क में क्षय हो जाता है।

मानक मॉडल निर्धारित करता है कि शीर्ष क्वार्क औसत जीवन काल $1⁄2$. निर्धारित करता है। यह मजबूत अंतःक्रियाओं के लिए समय-सीमा का लगभग बीसवां भाग है, और इसलिए यह हैड्रानइज़ेशन नहीं करता है, भौतिकविदों को नंगे क्वार्क का अध्ययन करने का अनूठा अवसर देता है (अन्य सभी क्वार्क हैड्रोनाइजेशन, जिसका अर्थ है कि वे अन्य क्वार्क के साथ मिलकर हैड्रोन बनाते हैं और केवल इस तरह देखे जा सकते हैं।)

क्योंकि शीर्ष क्वार्क इतना भारी है, इसके गुणों ने हिग्स बॉसन के द्रव्यमान के अप्रत्यक्ष निर्धारण की अनुमति दी (देखें नीचे)। जैसे, मानक मॉडल से परे नई भौतिकी के प्रतिस्पर्धी सिद्धांतों के बीच भेदभाव करने के साधन के रूप में शीर्ष क्वार्क के गुणों का व्यापक अध्ययन किया जाता है। शीर्ष क्वार्क एकमात्र ऐसा क्वार्क है जिसे प्रत्यक्ष रूप से देखा गया है क्योंकि इसका क्षय समय हैड्रोनाइजेशन समय से कम है।

इतिहास
1973 में, मकोतो कोबायाशी (भौतिक विज्ञानी) और तोशीहाइड मसाहाइड ने खाना कण क्षय में देखे गए सीपी उल्लंघन की व्याख्या करने के लिए क्वार्क की तीसरी पीढ़ी के अस्तित्व की भविष्यवाणी की। 1975 में हैं हरारी द्वारा टॉप और बॉटम क्वार्क नाम प्रस्तुत किए गए, क्वार्क की पहली पीढ़ी (ऊपर क्वार्क और डाउन क्वार्क) के नामों से मिलान करने के लिए इस तथ्य को दर्शाता है कि दोनों अशक्त आइसोस्पिन डबलट (भौतिकी) के ऊपर और नीचे घटक थे।

कोबायाशी और मस्कावा का प्रस्ताव शेल्डन ग्लासो, एक्सोइन इलियोपोलोस और लुसियानो मेयानी द्वारा प्रस्तुत जीआईएम तंत्र पर बहुत अधिक निर्भर था, जिसने तत्कालीन अब तक न देखे गए आकर्षण क्वार्क के अस्तित्व की भविष्यवाणी की थी। (अन्य पीढ़ी (भौतिकी) क्वार्क, विचित्र क्वार्क, 1968 में पहले से ही खोजा गया था।) जब नवंबर क्रांति (भौतिकी) में ब्रुकहैवन राष्ट्रीय प्रयोगशाला (बीएनएल) और स्टैनफोर्ड रैखिक त्वरक केंद्र (एसएलएसी) की टीमों ने एक साथ खोज की घोषणा की J/ψ मेसन, इसके तुरंत बाद इसकी पहचान अपने एंटीक्वार्क के साथ लापता चार्म क्वार्क की बाध्य अवस्था के रूप में की गई। इस खोज ने जीआईएम तंत्र को मानक मॉडल का भाग बनने की अनुमति दी। जीआईएम तंत्र की स्वीकृति के साथ, कोबायाशी और मस्कवा की भविष्यवाणी को भी विश्वसनीयता मिली। 1974 और 1978 के बीच एसएलएसी में मार्टिन लुईस पर्ल की टीम द्वारा ताऊ (कण) की खोज से उनके स्थितियों को और मजबूती मिली। ताऊ ने लेप्टॉन की तीसरी पीढ़ी की घोषणा की, जीआईएम तंत्र द्वारा प्रस्तुत किए गए लेप्टान और क्वार्क के बीच नई समरूपता (भौतिकी) को तोड़ दिया। समरूपता की बहाली ने पांचवें और छठे क्वार्क के अस्तित्व को निहित किया।

यह वास्तव में लंबे समय तक नहीं था जब तक कि पांचवां क्वार्क, तल, 1977 में फर्मिलैब में लियोन लेडरमैन के नेतृत्व में E288 प्रयोग टीम द्वारा खोजा गया था।  इसने दृढ़ता से सुझाव दिया कि जोड़ी को पूरा करने के लिए छठा क्वार्क, शीर्ष भी होना चाहिए। यह ज्ञात था कि यह क्वार्क नीचे से भारी होगा, कण टक्करों में बनाने के लिए अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होगी, लेकिन सामान्य अपेक्षा यह थी कि छठा क्वार्क जल्द ही मिल जाएगा। चूँकि, शीर्ष के अस्तित्व की पुष्टि होने में और 18 साल लग गए।

एसएलएसी और डीईएसवाई (हैम्बर्ग में) में शीर्ष क्वार्क की प्रारंभिक खोज खाली हाथ आई। जब, 1980 के दशक की प्रारंभ में, सीईआरएन में सुपर प्रोटॉन सिंक्रोट्रॉन (एसपीएस) ने W बोसोन और Z बोसोन की खोज की, तो यह फिर से अनुभव किया गया कि शीर्ष की खोज आसन्न थी। जैसा कि एसपीएस ने फर्मिलैब में टेवाट्रॉन से प्रतिस्पर्धा प्राप्त की थी, तब भी लापता कण का कोई संकेत नहीं था, और सीईआरएन में समूह द्वारा यह घोषणा की गई थी कि शीर्ष द्रव्यमान कम से कम होना चाहिए। $1⁄3$. शीर्ष की खोज के लिए सर्न और फ़र्मिलाब के बीच दौड़ के बाद, सर्न का त्वरक एक भी शीर्ष बनाए बिना अपनी सीमा तक पहुँच गया, इसके द्रव्यमान पर निचली सीमा $4⁄3$. को ऊपर धकेल दिया।

टेवाट्रॉन (2009 में सीईआरएन में लार्ज हैड्रान कोलाइडर ऑपरेशन की प्रारंभ तक) एकमात्र हैड्रोन कोलाइडर था जो टॉप क्वार्क का उत्पादन करने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली था। भविष्य की खोज की पुष्टि करने में सक्षम होने के लिए, एक दूसरा डिटेक्टर, DØ डिटेक्टर, कॉम्प्लेक्स में जोड़ा गया था (फर्मिलैब (सीडीएफ) में पहले से उपस्थित कोलाइडर डिटेक्टर के अतिरिक्त)। अक्टूबर 1992 में, दोनों समूहों को शीर्ष का अपना पहला संकेत मिला, जिसमें एकल निर्माण घटना थी जिसमें शीर्ष सम्मिलित था। बाद के वर्षों में, और अधिक साक्ष्य एकत्र किए गए और 22 अप्रैल, 1994 को, सीडीएफ समूह ने अपना लेख प्रस्तुत किया जिसमें लगभग द्रव्यमान वाले एक शीर्ष क्वार्क के अस्तित्व के लिए अस्थायी साक्ष्य प्रस्तुत किए गए थे। $1⁄2$. इस बीच, DØ को 1992 में विचारोत्तेजक घटना से अधिक कोई साक्ष्य नहीं मिला था। एक साल बाद, 2 मार्च 1995 को, अधिक साक्ष्य इकट्ठा करने और DØ डेटा (जो बहुत हल्का शीर्ष के लिए खोजा गया था) का पुन: विश्लेषण करने के बाद, दो समूहों ने संयुक्त रूप से बड़े पैमाने पर शीर्ष की खोज $2⁄3$ की सूचना दी।

टॉप-क्वार्क की खोज से पहले के वर्षों में, यह अनुभव किया गया था कि इलेक्ट्रोवीक वेक्टर बोसोन द्रव्यमान और कपलिंग के कुछ सही माप टॉप-क्वार्क द्रव्यमान के मान के प्रति बहुत संवेदनशील होते हैं। शीर्ष द्रव्यमान के उच्च मूल्यों के लिए ये प्रभाव बहुत अधिक हो जाते हैं और इसलिए अप्रत्यक्ष रूप से शीर्ष क्वार्क को देख सकते हैं, भले ही उस समय किसी भी प्रयोग में इसका प्रत्यक्ष रूप से पता नहीं लगाया जा सके। टॉप-क्वार्क द्रव्यमान का सबसे बड़ा प्रभाव S और T पैरामीटर्स पर था, और 1994 तक इन अप्रत्यक्ष मापों की सटीकता के कारण टॉप-क्वार्क द्रव्यमान के बीच होने की भविष्यवाणी की गई थी $172.76 GeV/c2$ और $\overline{t}$. यह तकनीकों का विकास है जिसने अंततः ऐसी सही गणनाओं की अनुमति दी जिसके कारण जेरार्डस टी हूफ्ट और मार्टिन वेल्टमैन ने 1999 में भौतिकी में नोबेल पुरस्कार जीता।

गुण

 * 1.96TeV की अंतिम टेवाट्रॉन ऊर्जा पर, लगभग 7 पिकोबर्न (pb) के क्रॉस सेक्शन (भौतिकी) के साथ शीर्ष-एंटीटॉप जोड़े बनाए गए थे। मानक मॉडल की भविष्यवाणी $m$$5 s$ = $41 GeV/c2$) 6.7–7.5pb है।
 * शीर्ष क्वार्क क्षय से W बोसोन मूल कण से ध्रुवीकरण करते हैं, इसलिए खुद को शीर्ष ध्रुवीकरण की अनूठी जांच के रूप में प्रस्तुत करते हैं।
 * मानक मॉडल में, शीर्ष क्वार्क की स्पिन क्वांटम संख्या होने की भविष्यवाणी की जाती है $77 GeV/c2$ और इलेक्ट्रिक चार्ज $175 GeV/c2$. टॉप क्वार्क चार्ज का पहला माप प्रकाशित किया गया है, जिसके परिणामस्वरूप कुछ विश्वास है कि टॉप क्वार्क चार्ज वास्तव में $176 GeV/c2$. में है।

उत्पादन
क्योंकि शीर्ष क्वार्क बहुत भारी होते हैं, एक को बनाने के लिए बड़ी मात्रा में ऊर्जा की आवश्यकता होती है। ऐसी उच्च ऊर्जाओं को प्राप्त करने का एकमात्र विधि उच्च-ऊर्जा टक्करों के माध्यम से होता है। ये पृथ्वी के ऊपरी वायुमंडल में स्वाभाविक रूप से होते हैं क्योंकि ब्रह्मांडीय किरणें हवा में कणों से टकराती हैं, या कण त्वरक में बनाई जा सकती हैं। 2011 में, टेवाट्रॉन के संचालन बंद होने के बाद, सीईआरएन में लार्ज हैड्रोन कोलाइडर एकमात्र त्वरक बन गया, जो शीर्ष क्वार्क का उत्पादन करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा का बीम उत्पन्न करता है, जिसमें सेंटर-ऑफ-मास फ्रेम 7TeV है। ऐसी कई प्रक्रियाएँ हैं जो शीर्ष क्वार्क के उत्पादन की ओर ले जा सकती हैं, लेकिन उन्हें वैचारिक रूप से दो श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है: शीर्ष-जोड़ी उत्पादन और एकल-शीर्ष उत्पादन है।

टॉप-क्वार्क जोड़े
सबसे सामान्य जोड़ी उत्पादन है| मजबूत अंतःक्रियाओं के माध्यम से टॉप-एंटीटॉप जोड़ी का उत्पादन। टकराव में, अत्यधिक ऊर्जावान ग्लूऑन बनाया जाता है, जो बाद में शीर्ष और एंटीटॉप में क्षय हो जाता है। यह प्रक्रिया टेवाट्रॉन में अधिकांश शीर्ष घटनाओं के लिए जिम्मेदार थी और यह प्रक्रिया तब देखी गई थी जब 1995 में पहली बार शीर्ष की खोज की गई थी। मध्यवर्ती फोटॉन या जेड-बोसोन के क्षय के माध्यम से टॉप-एंटीटॉप के जोड़े का उत्पादन करना भी संभव है। चूँकि, इन प्रक्रियाओं के बहुत दुर्लभ होने की भविष्यवाणी की जाती है और टेवाट्रॉन जैसे हैड्रान कोलाइडर में लगभग समान प्रायोगिक हस्ताक्षर होते हैं।

एकल टॉप क्वार्क
अशक्त अंतःक्रिया के माध्यम से एकल टॉप क्वार्क का उत्पादन अलग प्रक्रिया है। यह कई विधियों से हो सकता है (चैनल कहा जाता है): या तो मध्यवर्ती डब्ल्यू-बोसोन शीर्ष और एंटीबॉटम क्वार्क (एस-चैनल) या निचला क्वार्क (शायद ग्लूऑन के क्षय के माध्यम से जोड़ी में बनाया गया) में बदल जाता है। W बोसोन का अप या डाउन क्वार्क (टी-चैनल) से आदान-प्रदान करके क्वार्क। W बोसोन के सहयोग से एकल शीर्ष क्वार्क का भी उत्पादन किया जा सकता है, जिसके लिए प्रारंभिक-अवस्था बॉटम क्वार्क (tW-चैनल) की आवश्यकता होती है। इन प्रक्रियाओं के लिए पहला साक्ष्य DØ सहयोग द्वारा दिसंबर 2006 में प्रकाशित किया गया था, और मार्च 2009 में सीडीएफ और करो सहयोग ने इन प्रक्रियाओं के निश्चित अवलोकन के साथ जुड़वां लेख जारी किए। इन उत्पादन प्रक्रियाओं को मापने का मुख्य महत्व यह है कि उनकी आवृत्ति सीकेएम आव्यूह के $|V_{tb}|^{2}$ का घटक सीधे आनुपातिक होती है।

क्षय
शीर्ष क्वार्क के क्षय का एकमात्र ज्ञात विधि अशक्त अंतःक्रिया के माध्यम से हो सकता है, जिससे W और Z बोसोन W बोसोन और निचला क्वार्क उत्पन्न होता है।

अपने विशाल द्रव्यमान के कारण, शीर्ष क्वार्क अत्यंत अल्पकालिक है, केवल अनुमानित जीवनकाल के साथ $145 GeV/c2$. परिणामस्वरूप, शीर्ष क्वार्कों के पास अन्य क्वार्कों की तरह हैड्रोनाइजेशन में क्षय होने से पहले समय नहीं होता है।

शीर्ष क्वार्क के आसपास हैड्रॉन की अनुपस्थिति भौतिकविदों को नंगे क्वार्क के व्यवहार का अध्ययन करने का अनूठा अवसर प्रदान करती है।

विशेष रूप से, शाखाओं के अनुपात को सीधे निर्धारित करना संभव है. इस अनुपात का सबसे अच्छा वर्तमान निर्धारण $185 GeV/c2$ है। चूंकि यह अनुपात मानक मॉडल के अनुसार $Γ$ के बराबर है, यह सीकेएम तत्व को निर्धारित करने का एक और विधि देता है या $Γ$, के निर्धारण के संयोजन में एकल शीर्ष उत्पादन से इस धारणा के लिए परीक्षण प्रदान करता है कि सीकेएम आव्यूह एकात्मक है।

मानक मॉडल भी अधिक विदेशी क्षय की अनुमति देता है, लेकिन केवल लूप स्तर पर, जिसका अर्थ है कि वे अत्यंत दुर्लभ हैं। विशेष रूप से, यह कल्पना की जा सकती है कि टॉप क्वार्क फोटॉन या जेड-बोसोन उत्सर्जित करके दूसरे अप-टाइप क्वार्क ( अप या चार्म) में क्षय हो सकता है। चूँकि, इन विदेशी क्षय विधियों की खोजों ने कोई साक्ष्य नहीं दिया है कि वे मानक मॉडल की अपेक्षाओं के अनुसार होते हैं। इन क्षयों के लिए शाखाओं में बंटने का अनुपात 95% विश्वास स्तर पर फोटोनिक क्षय के लिए 10000 में 1.8 से कम और जेड बोसोन क्षय के लिए 10000 में 5 से कम होना निर्धारित किया गया है।

हिग्स बोसोन के लिए द्रव्यमान और युग्मन
मानक मॉडल हिग्स बोसोन के लिए उनके कपलिंग के माध्यम से फ़र्मियन द्रव्यमान उत्पन्न करता है। यह हिग्स बोसोन क्षेत्र भरने की जगह के रूप में कार्य करता है। फरमिओन्स इस क्षेत्र के साथ उनके व्यक्तिगत युग्मन स्थिरांक के अनुपात में अंतःक्रियाओं करते हैं $$\ y_i\ ,$$ जो द्रव्यमान उत्पन्न करता है। कम द्रव्यमान वाले कण, जैसे कि इलेक्ट्रॉन में छोटा युग्मन होता है। $$\ y_\text{electron} = 2 \times 10^{-6}\ ,$$ जबकि शीर्ष क्वार्क का हिग्स से सबसे बड़ा युग्मन है, $$\ y_\text{t} \simeq 1\ .$$है।

मानक मॉडल में, सभी क्वार्क और लेप्टन हिग्स-युकावा कपलिंग टॉप-क्वार्क युकावा कपलिंग की तुलना में छोटे हैं। फर्मियन जनता में यह पदानुक्रम सैद्धांतिक भौतिकी में गहन और खुली समस्या बनी हुई है। हिग्स-युकावा युग्मन प्रकृति के निश्चित स्थिरांक नहीं हैं, क्योंकि उनके मान ऊर्जा पैमाने (दूरी पैमाने) के अनुसार धीरे-धीरे बदलते हैं, जिस पर उन्हें मापा जाता है। हिग्स-युकावा कपलिंग की ये गतिकी, जिसे रनिंग कपलिंग स्थिरांक कहा जाता है, क्वांटम प्रभाव के कारण होता है जिसे पुनर्सामान्यीकरण समूह कहा जाता है।

अप, डाउन, चार्म, स्ट्रेंज और बॉटम क्वार्क्स के हिग्स-युकावा कपलिंगों की कल्पना भव्य एकीकरण के अत्यंत उच्च ऊर्जा पैमाने पर छोटे मूल्यों के लिए की जाती है।  GeV । वे निचले ऊर्जा पैमानों पर मूल्य में वृद्धि करते हैं, जिस पर हिग्स द्वारा क्वार्क द्रव्यमान उत्पन्न होते हैं। साधरण वृद्धि क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स युग्मन से सुधार के कारण है। कम द्रव्यमान वाले क्वार्कों के लिए युकावा कपलिंग से सुधार नगण्य हैं।

कण भौतिकी में प्रचलित विचारों में से एक यह है कि शीर्ष-क्वार्क हिग्स-युकावा युग्मन का आकार पुनर्सामान्यीकरण समूह समीकरण के अद्वितीय अरैखिक गुण द्वारा निर्धारित किया जाता है जो शीर्ष क्वार्क के बड़े हिग्स-युकावा युग्मन के चलने का वर्णन करता है। यदि क्वार्क हिग्स-युकावा युग्मन का बहुत उच्च ऊर्जा पर बड़ा मूल्य है, तो इसके युकावा सुधार बड़े पैमाने पर नीचे की ओर विकसित होंगे और क्यूसीडी सुधारों के खिलाफ रद्द हो जाएंगे। इसे (अर्ध-) इन्फ्रारेड निश्चित बिंदु के रूप में जाना जाता है, जिसकी भविष्यवाणी सबसे पहले बी. पेंडलटन और जी.जी. रॉस और सी.टी. हिल ने की कोई फर्क नहीं पड़ता कि युग्मन का प्रारंभिक प्रारंभिक मूल्य क्या है, यदि पर्याप्त रूप से बड़ा है, तो यह निश्चित-बिंदु मान तक पहुंच जाएगा। इसी क्वार्क द्रव्यमान की भविष्यवाणी की जाती है।

टॉप-क्वार्क युकावा युग्मन मानक मॉडल के इन्फ्रारेड निश्चित बिंदु के बहुत निकट स्थित है। पुनर्सामान्यीकरण समूह समीकरण है:
 * $$\mu \frac{\partial}{\partial\mu} y_\text{t} \approx \frac{y_\text{t}}{16\pi^2}\left(\frac{9}{2}y_\text{t}^2 - 8 g_3^2- \frac{9}{4}g_2^2 - \frac{17}{20} g_1^2 \right),$$

जहाँ $|V_{tb}|^{2}$ कलर गेज कपलिंग है, $|V_{tb}|$ अशक्त आइसोस्पिन गेज कपलिंग है, और $g_{3}$ अशक्त हाइपरचार्ज गेज कपलिंग है। यह समीकरण बताता है कि कैसे युकावा युग्मन ऊर्जा पैमाने $t$ के साथ बदलता है। बड़े प्रारंभिक मूल्यों के लिए इस समीकरण का समाधान $g_{2}$ समीकरण के दाईं ओर जल्दी से शून्य, लॉकिंग तक पहुंचने का कारण बनता है $g_{1}$ क्यूसीडी युग्मन के लिए $y_{t}$ पर लॉक करते है।

टॉप क्वार्क स्थिर बिंदु का मान मानक मॉडल में बहुत सही रूप से निर्धारित किया गया है, जिससे टॉप-क्वार्क का द्रव्यमान 220 GeV हो जाता है। यह देखे गए शीर्ष द्रव्यमान से लगभग 25% बड़ा है और उच्च ऊर्जा पैमानों पर नई भौतिकी की ओर इशारा कर सकता है।

अर्ध-अवरक्त निश्चित बिंदु बाद में इलेक्ट्रोवीक समरूपता ब्रेकिंग के शीर्ष क्वार्क संघनन सिद्धांतों का आधार बन गया, जिसमें हिग्स बोसोन शीर्ष और एंटीटॉप क्वार्क की जोड़ी से बना अत्यंत कम दूरी के पैमाने पर संयुक्त है। यदि मानक मॉडल से परे अतिरिक्त हिग्स स्केलर हैं तो अनुमानित टॉप-क्वार्क द्रव्यमान निश्चित बिंदु के साथ अच्छे समझौते में आता है और यह संकेत दे सकता है कि नए हिग्स क्षेत्रों की समृद्ध स्पेक्ट्रोस्कोपी ऊर्जा पैमानों पर स्थित है जिसे एलएचसी और इसके उन्नयन के साथ जांचा जा सकता है।

यह भी देखें

 * सीडीएफ प्रयोग
 * क्वार्क मॉडल
 * शीर्ष क्वार्क घनीभूत
 * शीर्ष रंग
 * टॉपनेस

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