जापान में किए जा रहे न्यूट्रिनो दोलन पर आधारित दीर्घकालिक प्रयोग T2K ने हाल ही में एक ऐसा अवलोकन प्रकाशित किया है जिसमें उन्होंने न्यूट्रिनो और उनके प्रतिपदार्थ प्रति-न्यूट्रिनो के मूलभूत भौतिक गुणों में अंतर का पुख्ता प्रमाण पाया है। यह अवलोकन विज्ञान के सबसे बड़े रहस्यों में से एक को सुलझाने की दिशा में संकेत देता है – ब्रह्मांड में पदार्थ का प्रतिपदार्थ पर प्रभुत्व, और इस प्रकार हमारे अस्तित्व का मूल कारण।
ब्रह्मांड की पदार्थ - प्रतिपदार्थ विषमता
ब्रह्मांड विज्ञान के सिद्धांत के अनुसार, बिग बैंग के दौरान विकिरण से कण और उनके प्रतिकण युग्मों में उत्पन्न हुए थे। प्रतिकण ऐसे पदार्थ होते हैं जिनके भौतिक गुण उनके पदार्थ समकक्षों (यानी कणों) के लगभग समान होते हैं, सिवाय विद्युत आवेश और चुंबकीय गुणों के जो विपरीत होते हैं। हालांकि, ब्रह्मांड का अस्तित्व और केवल पदार्थ से बना होना यह दर्शाता है कि बिग बैंग के दौरान पदार्थ-प्रतिपदार्थ समरूपता का कुछ भाग टूट गया था, जिसके कारण ये युग्म पूरी तरह से नष्ट नहीं हो सके और पुनः विकिरण उत्पन्न नहीं कर सके। भौतिक विज्ञानी अभी भी सीपी-समरूपता के उल्लंघन के संकेतों की खोज कर रहे हैं, जो बदले में प्रारंभिक ब्रह्मांड में टूटी हुई पदार्थ-प्रतिपदार्थ समरूपता की व्याख्या कर सकते हैं ।
सीपी-समरूपता दो अलग-अलग समरूपताओं का गुणनफल है – आवेश संयुग्मन (सी) और समता उत्क्रमण (पी)। आवेश संयुग्मन सी जब किसी आवेशित कण पर लागू होता है, तो उसके आवेश का चिन्ह बदल जाता है, इसलिए धनात्मक आवेशित कण ऋणात्मक आवेशित हो जाता है और इसके विपरीत भी। उदासीन कण सी की क्रिया के अधीन अपरिवर्तित रहते हैं। समता उत्क्रमण समरूपता जिस कण पर क्रिया करती है, उसके स्थानिक निर्देशांकों को उलट देती है – इसलिए एक दाएँ हाथ का कण बाएँ हाथ का हो जाता है, जैसा कि दर्पण के सामने खड़े होने पर होता है। अंत में, जब सीपी एक दाएँ हाथ के ऋणात्मक आवेशित कण पर क्रिया करता है, तो वह एक बाएँ हाथ के धनात्मक आवेशित कण में परिवर्तित हो जाता है, जो प्रतिकण होता है। इस प्रकार पदार्थ और प्रतिपदार्थ सीपी-समरूपता के माध्यम से एक दूसरे से संबंधित हैं। अतः प्रेक्षित पदार्थ-प्रतिपदार्थ विषमता को उत्पन्न करने के लिए सीपी का उल्लंघन होना आवश्यक था , जिसे सर्वप्रथम सखारोव ने 1967 में इंगित किया था (1)।
क्योंकि गुरुत्वाकर्षण, विद्युत चुम्बकीय और प्रबल अंतःक्रियाएँ CP-समरूपता के अंतर्गत अपरिवर्तनीय हैं, इसलिए प्रकृति में CP-उल्लंघन की खोज का एकमात्र स्थान क्वार्क और/या लेप्टॉन के मामले में है, जो दुर्बल अंतःक्रिया के माध्यम से परस्पर क्रिया करते हैं। अब तक, CP-उल्लंघन को क्वार्क क्षेत्र में प्रयोगात्मक रूप से मापा गया है, हालाँकि, यह ब्रह्मांड की अनुमानित विषमता को उत्पन्न करने के लिए बहुत छोटा है । इसलिए, लेप्टॉन क्षेत्र में CP-उल्लंघन को समझना भौतिकविदों के लिए ब्रह्मांड के अस्तित्व को समझने के लिए विशेष रुचि का विषय है । लेप्टॉन क्षेत्र में CP-उल्लंघन का उपयोग लेप्टोजेनेसिस (2) नामक प्रक्रिया के माध्यम से पदार्थ-प्रतिपदार्थ विषमता की व्याख्या करने के लिए किया जा सकता है।
न्यूट्रिनो क्यों महत्वपूर्ण हैं?
न्यूट्रिनो प्रकृति के सबसे छोटे, द्रव्यमानहीन कण हैं जिन पर विद्युत आवेश शून्य होता है। विद्युत रूप से उदासीन होने के कारण, न्यूट्रिनो विद्युत चुम्बकीय अंतःक्रिया नहीं कर सकते और न ही उनमें प्रबल अंतःक्रिया होती है। न्यूट्रिनो का द्रव्यमान लगभग 0.1 eV (~ 2 × 10⁻³⁷ kg) होता है , इसलिए गुरुत्वाकर्षण अंतःक्रिया भी बहुत दुर्बल होती है। न्यूट्रिनो अन्य कणों के साथ केवल अल्प-श्रेणी की दुर्बल अंतःक्रियाओं के माध्यम से ही अंतःक्रिया कर सकते हैं।
न्यूट्रिनो की यह कमज़ोर अंतःक्रियाशीलता उन्हें दूरस्थ खगोलीय पिंडों के अध्ययन के लिए एक दिलचस्प उपकरण बनाती है। जहाँ एक ओर अंतरतारकीय माध्यम में मौजूद धूल, गैस कणों और पृष्ठभूमि विकिरणों द्वारा फोटॉन भी अवरुद्ध, विक्षेपित और बिखर सकते हैं, वहीं न्यूट्रिनो लगभग बिना किसी बाधा के पृथ्वी पर स्थित डिटेक्टरों तक पहुँच सकते हैं। वर्तमान संदर्भ में, कमज़ोर अंतःक्रियाशीलता के कारण, न्यूट्रिनो क्षेत्र सीपी उल्लंघन में योगदान देने के लिए एक उपयुक्त उम्मीदवार हो सकता है।
न्यूट्रिनो दोलन और सीपी-उल्लंघन
न्यूट्रिनो (𝜈) तीन प्रकार के होते हैं – 𝜈 𝑒 , 𝜈 𝜇 और 𝜈 𝜏 – प्रत्येक प्रकार के लेप्टॉन इलेक्ट्रॉन (e), म्यूऑन (𝜇) और टाऊ (𝜏) से जुड़ा होता है। न्यूट्रिनो, संबंधित फ्लेवर के आवेशित लेप्टॉन के साथ कमजोर अंतःक्रियाओं के माध्यम से फ्लेवर-आइजेनस्टेट के रूप में उत्पन्न और पहचाने जाते हैं, जबकि वे निश्चित द्रव्यमान वाली अवस्थाओं के रूप में प्रसारित होते हैं, जिन्हें द्रव्यमान-आइजेनस्टेट कहा जाता है। इस प्रकार, स्रोत पर एक निश्चित फ्लेवर का न्यूट्रिनो बीम, कुछ दूरी तय करने के बाद, पहचान बिंदु पर तीनों अलग-अलग फ्लेवर का मिश्रण बन जाता है – विभिन्न फ्लेवर अवस्थाओं का अनुपात सिस्टम के मापदंडों पर निर्भर करता है। इस घटना को न्यूट्रिनो दोलन के रूप में जाना जाता है, जो इन छोटे कणों को बहुत खास बनाता है!
सैद्धांतिक रूप से, न्यूट्रिनो के प्रत्येक फ्लेवर-आइजेनस्टेट को तीनों द्रव्यमान-आइजेनस्टेट के रैखिक संयोजन के रूप में व्यक्त किया जा सकता है और इसके विपरीत भी, और मिश्रण को पोंटेकोर्वो-माकी-नाकागावा-साकाता (PMNS) मैट्रिक्स (3,4) नामक एकात्मक मैट्रिक्स द्वारा वर्णित किया जा सकता है। इस त्रि-आयामी एकात्मक मिश्रण मैट्रिक्स को तीन मिश्रण कोणों और जटिल चरणों द्वारा पैरामीट्राइज़ किया जा सकता है। इन जटिल चरणों में से, न्यूट्रिनो दोलन केवल एक चरण, जिसे 𝛿 𝐶𝑃 कहा जाता है, के प्रति संवेदनशील होता है , और यह लेप्टॉन-सेक्टर में CP-उल्लंघन का एकमात्र स्रोत है। 𝛿 𝐶𝑃 का मान −180° और 180° के बीच कोई भी हो सकता है। जबकि 𝛿 𝐶𝑃 =0,±180° का अर्थ है कि न्यूट्रिनो और एंटीन्यूट्रिनो एक समान व्यवहार करते हैं और CP संरक्षित रहता है, वहीं 𝛿 𝐶𝑃 =±90° मानक मॉडल के लेप्टॉन क्षेत्र में अधिकतम CP उल्लंघन को दर्शाता है। कोई भी मध्यवर्ती मान अलग-अलग स्तरों पर CP उल्लंघन का संकेत देता है। इसलिए 𝛿 𝐶𝑃 का मापन न्यूट्रिनो भौतिकी समुदाय के सबसे महत्वपूर्ण लक्ष्यों में से एक है।
दोलन मापदंडों का मापन
परमाणु प्रतिक्रियाओं के दौरान न्यूट्रिनो प्रचुर मात्रा में उत्पन्न होते हैं, जैसे सूर्य, अन्य सितारों और सुपरनोवा में। वे परमाणु नाभिक के साथ उच्च-ऊर्जा ब्रह्मांडीय किरणों की बातचीत के माध्यम से पृथ्वी के वायुमंडल में भी उत्पन्न होते हैं। न्यूट्रिनो फ्लक्स का अंदाजा लगाने के लिए, लगभग 100 ट्रिलियन प्रति सेकंड हमारे पास से गुजरते हैं। लेकिन हमें इसका एहसास भी नहीं होता क्योंकि वे बहुत कमजोर बातचीत कर रहे हैं। यह न्यूट्रिनो दोलन प्रयोगों के दौरान न्यूट्रिनो गुणों की माप को वास्तव में चुनौतीपूर्ण काम बनाता है!
इन मायावी कणों को मापने के लिए, न्यूट्रिनो डिटेक्टर बड़े होते हैं, जिनमें किलो-टन द्रव्यमान होता है और सांख्यिकीय रूप से महत्वपूर्ण परिणाम प्राप्त करने के लिए प्रयोगों में कई साल लगते हैं। उनकी कमजोर अंतःक्रियाओं के कारण, वैज्ञानिकों को पहले न्यूट्रिनो का प्रायोगिक रूप से पता लगाने में लगभग 25 साल लग गए, जब पाउली ने 1932 में परमाणु बीटा क्षय में ऊर्जा-गति संरक्षण की व्याख्या करने के लिए अपनी उपस्थिति को पोस्ट किया (चित्र (5) में दिखाया गया है)।
वैज्ञानिकों ने तीनों मिश्रण कोणों को 99.73% (3𝜎) विश्वास (6) पर 90% से अधिक परिशुद्धता के साथ मापा है। दो मिश्रण कोण सौर और वायुमंडलीय न्यूट्रिनो के दोलनों की व्याख्या करने के लिए बड़े हैं, तीसरा कोण (जिसे 𝜃 13 नाम दिया गया है ) छोटा है, जिसका सर्वोत्तम-फिट मान लगभग 8.6° है, और इसे हाल ही में 2011 में चीन के दया-बे रिएक्टर न्यूट्रिनो प्रयोग द्वारा प्रयोगात्मक रूप से मापा गया था। PMNS मैट्रिक्स में, चरण 𝛿 𝐶𝑃 केवल sin𝜃 13 𝑒 ±𝑖𝛿 𝐶𝑃 के संयोजन में प्रकट होता है , जिससे 𝛿 𝐶𝑃 का प्रयोगात्मक मापन कठिन हो जाता है।
क्वार्क और न्यूट्रिनो दोनों क्षेत्रों में सीपी उल्लंघन की मात्रा निर्धारित करने वाले पैरामीटर को जार्ल्सकोग इनवेरिएंट 𝐽 𝐶𝑃 (7) कहा जाता है, जो मिश्रण कोणों और सीपी उल्लंघन चरण का एक फलन है। क्वार्क क्षेत्र के लिए 𝐽 𝐶𝑃 ~3×10 -5 है , जबकि न्यूट्रिनो क्षेत्र के लिए 𝐽 𝐶𝑃 ~0.033 sin𝛿 𝐶𝑃 है , और इस प्रकार क्वार्क क्षेत्र में 𝐽 𝐶𝑃 की तुलना में तीन गुना तक बड़ा हो सकता है , जो 𝛿 𝐶𝑃 के मान पर निर्भर करता है ।
T2K से परिणाम - पदार्थ-एंटीमैटर विषमता के रहस्य को सुलझाने की दिशा में एक संकेत
जापान के टोकाई-तो-कामिओका में स्थित टी2के न्यूट्रिनो दोलन प्रयोग में, जापान प्रोटॉन त्वरक अनुसंधान परिसर (जे-पीएआरसी) में न्यूट्रिनो या एंटीन्यूट्रिनो बीम उत्पन्न किए जाते हैं और पृथ्वी के भीतर 295 किमी की दूरी तय करने के बाद सुपर-कामिओकांडे स्थित वाटर-सेरेनकोव डिटेक्टर पर इनका पता लगाया जाता है। चूंकि यह त्वरक या तो 𝜈 𝜇 या इसके प्रतिकण 𝜈̅𝜇 के बीम उत्पन्न कर सकता है, और डिटेक्टर 𝜈 𝜇 , 𝜈 𝑒 और उनके प्रतिकण 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒 का पता लगा सकता है, इसलिए उन्हें चार अलग-अलग दोलन प्रक्रियाओं के परिणाम प्राप्त होते हैं और वे दोलन मापदंडों पर कुशल सीमाएं प्राप्त करने के लिए विश्लेषण कर सकते हैं। हालाँकि, सीपी-उल्लंघन चरण 𝛿 𝐶𝑃 केवल उस प्रक्रिया में प्रकट होता है जब न्यूट्रिनो स्वाद बदलते हैं, यानी दोलनों 𝜈𝜇→𝜈𝑒 और 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 में – इन दोनों प्रक्रियाओं में कोई भी अंतर लेप्टॉन-सेक्टर में सीपी-उल्लंघन का संकेत देगा।
हाल ही में प्रकाशित एक शोध पत्र में, T2K सहयोग ने न्यूट्रिनो क्षेत्र में CP-उल्लंघन पर दिलचस्प सीमाएँ बताई हैं, जिसमें 2009 और 2018 के दौरान एकत्रित डेटा का विश्लेषण किया गया है (8)। इस नए परिणाम ने 𝛿 𝐶𝑃 के सभी संभावित मानों में से लगभग 42% को खारिज कर दिया है । इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि CP के संरक्षित होने की संभावना को 95% विश्वास के साथ खारिज कर दिया गया है, और साथ ही प्रकृति में अधिकतम CP-उल्लंघन को प्राथमिकता दी जा रही है।
उच्च-ऊर्जा भौतिकी के क्षेत्र में, एक नई खोज का दावा करने के लिए 5𝜎 (यानी 99.999%) आत्मविश्वास की आवश्यकता होती है, इसलिए सीपी-उल्लंघन चरण की खोज के लिए पर्याप्त आंकड़े और उच्च परिशुद्धता प्राप्त करने के लिए अगली पीढ़ी के प्रयोगों की आवश्यकता होती है। हालाँकि हालिया T2K परिणाम पदार्थ-एंटीमैटर असममिति की हमारी समझ की दिशा में एक महत्वपूर्ण विकास है ब्रम्हांड न्यूट्रिनो-क्षेत्र में सीपी-उल्लंघन के माध्यम से, पहली बार।
***
सन्दर्भ:
1. सखारोव, आंद्रेई डी., 1991. ''ब्रह्मांड की सीपी अपरिवर्तनीयता का उल्लंघन, सी विषमता और बैरियन विषमता''. सोवियत फिजिक्स उस्पेखी, 1991, 34 (5), 392–393. डीओआई: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497
2. बारी पास्क्वाले डि, 2012. लेप्टोजेनेसिस और न्यूट्रिनो गुणों का परिचय। समकालीन भौतिकी खंड 53, 2012 – अंक 4 पृष्ठ 315-338। डीओआई: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096
3. माकी जेड., नाकागावा एम. और साकाता एस., 1962. प्राथमिक कणों के एकीकृत मॉडल पर टिप्पणियाँ। प्रोग्रेस ऑफ थ्योरेटिकल फिजिक्स, खंड 28, अंक 5, नवंबर 1962, पृष्ठ 870–880, डीओआई: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870
4. पोंटेकोरवो बी., 1958. व्युत्क्रम बीटा प्रक्रियाएँ और लेप्टॉन आवेश का असंरक्षण। जर्नल ऑफ एक्सपेरिमेंटल एंड थियोरेटिकल फिजिक्स (यूएसएसआर) 34, 247-249 (जनवरी, 1958)। ऑनलाइन उपलब्ध: http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf। 23 अप्रैल 2020 को देखा गया।
5. इंडक्टिवलोड, 2007. बीटा-माइनस क्षय। [छवि ऑनलाइन] https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg पर उपलब्ध। 23 अप्रैल 2020 को एक्सेस किया गया।
6. तनाबाशी एम., एट अल. (पार्टिकल डेटा ग्रुप), 2018. न्यूट्रिनो द्रव्यमान, मिश्रण और दोलन, फिजिक्स रिव्यू डी98, 030001 (2018) और 2019 अपडेट। डीओआई: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001
7. जार्ल्सकॉग, सी., 1986. जार्ल्सकॉग प्रतिक्रिया करता है। भौतिक. रेव्ह. लेट. 57, 2875. डीओआई: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875
8. टी2के सहयोग, 2020. न्यूट्रिनो दोलनों में पदार्थ-प्रतिपदार्थ समरूपता-उल्लंघन चरण पर बाधा। नेचर वॉल्यूम 580, पृष्ठ 339-344 (2020)। प्रकाशन तिथि: 15 अप्रैल 2020। डीओआई: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
***
संबंधित आलेख:
ब्रह्मांड में 'पदार्थ' का प्रभुत्व क्यों है, 'प्रतिपदार्थ' का क्यों नहीं? ब्रह्मांड के अस्तित्व के कारणों की खोज में (18 अप्रैल 2020)
पदार्थ की तरह ही प्रतिपदार्थ भी गुरुत्वाकर्षण से प्रभावित होता है (29 सितंबर 2023)
एंटीप्रोटॉन परिवहन में प्रगति (2 दिसंबर 2024)
आईएसएस पर पृथ्वी की परिक्रमा कर रही मिनी-फ्रिज के आकार की "कोल्ड एटम लैब (सीएएल)" विज्ञान के लिए क्यों महत्वपूर्ण है (28 अगस्त 2024)
***
