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न्यूट्रिनो ऑसिलेशन प्रयोगों के साथ ब्रह्मांड के पदार्थ-एंटीमैटर विषमता के रहस्य का अनावरण

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T2K, जापान में एक लंबी-बेसलाइन न्यूट्रिनो दोलन प्रयोग, ने हाल ही में एक अवलोकन की सूचना दी है जहां उन्होंने न्यूट्रिनो के मौलिक भौतिक गुणों और संबंधित एंटीमैटर समकक्ष, एंटी-न्यूट्रिनो के बीच अंतर का एक मजबूत सबूत पाया है। यह अवलोकन विज्ञान के सबसे बड़े रहस्यों में से एक की व्याख्या करने का संकेत देता है - ब्रह्मांड में एंटीमैटर पर पदार्थ के प्रभुत्व के लिए एक स्पष्टीकरण, और इस प्रकार हमारा अस्तित्व।

ब्रह्मांड की पदार्थ-एंटीमैटर विषमता

ब्रह्मांड विज्ञान के सिद्धांत के अनुसार, बिग-बैंग के दौरान कणों और उनके एंटीपार्टिकल्स विकिरण से जोड़े में उत्पन्न हुए थे। एंटीपार्टिकल्स एंटीमैटर्स होते हैं जिनमें लगभग समान भौतिक गुण होते हैं जैसे कि उनके समकक्ष यानी कण, विद्युत आवेश और चुंबकीय गुणों को छोड़कर जो उलट जाते हैं। हालांकि, ब्रह्मांड मौजूद है और केवल पदार्थ से बना है, यह दर्शाता है कि बिग-बैंग के दौरान कुछ पदार्थ-एंटीमैटर समरूपता टूट गई थी, जिसके कारण जोड़े पूरी तरह से विकिरण पैदा करने वाले विकिरण को फिर से नष्ट नहीं कर सके। भौतिक विज्ञानी अभी भी सीपी-समरूपता उल्लंघन के हस्ताक्षर की तलाश में हैं, जो बदले में प्रारंभिक ब्रह्मांड में टूटे हुए पदार्थ-एंटीमैटर समरूपता की व्याख्या कर सकते हैं।

सीपी-समरूपता दो अलग-अलग समरूपताओं का उत्पाद है - चार्ज-संयुग्मन (सी) और समता-प्रत्यावर्तन (पी)। आवेश-संयुग्मन C जब किसी आवेशित-कण पर लगाया जाता है तो उसके आवेश का चिन्ह बदल जाता है, इसलिए एक धनात्मक आवेशित कण ऋणात्मक आवेशित हो जाता है और इसके विपरीत। सी की क्रिया के तहत तटस्थ कण अपरिवर्तित रहते हैं। समता-उलट समरूपता उस कण के स्थानिक निर्देशांक को उलट देती है जिस पर वह कार्य कर रहा है - इसलिए दाएं हाथ का कण बाएं हाथ का हो जाता है, जैसा कि दर्पण के सामने खड़े होने पर होता है। अंत में, जब सीपी दाएं हाथ के नकारात्मक-आवेशित कण पर कार्य करता है, तो यह बाएं हाथ के सकारात्मक-आवेश वाले कण में परिवर्तित हो जाता है, जो कि एंटीपार्टिकल है। इस प्रकार पदार्थ और एंटीमैटर CP-सममिति के माध्यम से एक दूसरे से संबंधित हैं। इसलिए अवलोकन उत्पन्न करने के लिए सीपी का उल्लंघन किया गया होगा पदार्थ-एंटीमैटर विषमता, जिसे पहली बार 1967 (1) में सखारोव ने बताया था।

चूंकि गुरुत्वाकर्षण, विद्युत चुम्बकीय और साथ ही मजबूत अंतःक्रियाएं सीपी-समरूपता के तहत अपरिवर्तनीय हैं, प्रकृति में सीपी-उल्लंघन देखने के लिए एकमात्र स्थान क्वार्क और/या लेप्टान के मामले में है, जो कमजोर बातचीत के माध्यम से बातचीत करते हैं। अब तक, क्वार्क-सेक्टर में सीपी-उल्लंघन को प्रयोगात्मक रूप से मापा गया है, हालांकि, ब्रह्मांड की अनुमानित विषमता उत्पन्न करने के लिए यह बहुत छोटा है। इसलिए ब्रह्मांड के अस्तित्व को समझने के लिए भौतिकविदों के लिए लेप्टन-क्षेत्र में सीपी-उल्लंघन को समझना विशेष रुचि है। लेप्टन-क्षेत्र में सीपी-उल्लंघन का उपयोग लेप्टोजेनेसिस (2) नामक प्रक्रिया के माध्यम से पदार्थ-एंटीमैटर विषमता को समझाने के लिए किया जा सकता है।

न्यूट्रिनो क्यों महत्वपूर्ण हैं?

न्यूट्रिनो शून्य विद्युत आवेश वाले प्रकृति के सबसे नन्हे, विशाल कण हैं। विद्युत रूप से तटस्थ होने के कारण, न्यूट्रिनो में विद्युतचुंबकीय अंतःक्रिया नहीं हो सकती है, और उनके पास मजबूत अंतःक्रियाएं भी नहीं होती हैं। न्यूट्रिनो में 0.1 eV (~ 2 × 10-) के क्रम के छोटे द्रव्यमान होते हैं37किग्रा), इसलिए गुरुत्वाकर्षण संपर्क भी बहुत कमजोर है। न्यूट्रिनो अन्य कणों के साथ बातचीत करने का एकमात्र तरीका छोटी दूरी की कमजोर बातचीत के माध्यम से होता है।

हालांकि, न्यूट्रिनो की यह कमजोर अंतःक्रियात्मक संपत्ति उन्हें दूर की खगोलभौतिकीय वस्तुओं का अध्ययन करने के लिए एक दिलचस्प जांच बनाती है। जबकि फोटोन भी इंटरस्टेलर माध्यम में मौजूद धूल, गैस कणों और पृष्ठभूमि विकिरणों द्वारा अस्पष्ट, विसरित और बिखरे हुए हो सकते हैं, न्यूट्रिनो ज्यादातर बिना रुके गुजर सकते हैं और पृथ्वी-आधारित डिटेक्टरों तक पहुंच सकते हैं। वर्तमान संदर्भ में, कमजोर अंतःक्रियात्मक होने के कारण, न्यूट्रिनो-सेक्टर सीपी-उल्लंघन में योगदान करने के लिए एक व्यवहार्य उम्मीदवार हो सकता है।

न्यूट्रिनो दोलन और सीपी-उल्लंघन

न्यूट्रिनो तीन प्रकार के होते हैं (𝜈) -𝑒,μ और𝜏 - प्रत्येक लेप्टन फ्लेवर इलेक्ट्रॉन (ई), म्यूऑन (𝜇) और ताऊ (𝜏) के साथ जुड़ा हुआ है। न्यूट्रीनो का उत्पादन और पता लगाया जाता है कि वे स्वाद-आइजेनस्टेट्स के रूप में संबंधित स्वाद के चार्ज किए गए लेप्टन के साथ कमजोर बातचीत के माध्यम से होते हैं, जबकि वे निश्चित द्रव्यमान वाले राज्यों के रूप में प्रचार करते हैं, जिन्हें मास-ईजेनस्टेट कहा जाता है। इस प्रकार स्रोत पर निश्चित स्वाद का एक न्यूट्रिनो बीम कुछ पथ-लंबाई के माध्यम से यात्रा करने के बाद पता लगाने के बिंदु पर सभी तीन अलग-अलग स्वादों का मिश्रण बन जाता है - सिस्टम के मापदंडों पर निर्भर होने वाले विभिन्न स्वाद राज्यों का अनुपात। इस घटना के रूप में जाना जाता है न्यूट्रिनो दोलन, जो इन छोटे कणों को बहुत खास बनाता है!

सैद्धांतिक रूप से, प्रत्येक न्यूट्रिनो स्वाद-ईजेनस्टेट्स को तीनों द्रव्यमान-ईजेनस्टेट्स के रैखिक संयोजन के रूप में व्यक्त किया जा सकता है और इसके विपरीत और मिश्रण को पोंटेकोर्वो-माकी-नाकागावा-सकाटा (पीएमएनएस) मैट्रिक्स नामक एकात्मक मैट्रिक्स द्वारा वर्णित किया जा सकता है। , 3,4)। इस 3-आयामी एकात्मक मिश्रण मैट्रिक्स को तीन मिश्रण कोणों और जटिल चरणों द्वारा पैरामीट्रिज किया जा सकता है। इन जटिल चरणों में से, न्यूट्रिनो दोलन केवल एक चरण के प्रति संवेदनशील होता है, जिसका नाम . हैमैं, और यह लेप्टन-सेक्टर में सीपी-उल्लंघन का अनूठा स्रोत है। मैंमैं -180° और 180° के दायरे में कोई भी मान ले सकता है। जबकिमैं=0,±180° का अर्थ है कि न्यूट्रिनो और एंटीन्यूट्रिनो समान व्यवहार करते हैं और CP संरक्षित है,मैं=±90° मानक मॉडल के लेप्टन-सेक्टर में अधिकतम सीपी-उल्लंघन को इंगित करता है। कोई भी मध्यवर्ती मूल्य विभिन्न डिग्री पर सीपी-उल्लंघन का संकेत है। इसलिए . का मापनमैं 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!

न्यूट्रिनो दोलन प्रयोग
स्रोत: विकिपीडिया (रेफरी। 5)

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 90% (99.73𝜎) आत्मविश्वास (3) पर 6% से अधिक सटीकता के साथ मापा है। दो मिश्रण कोण सौर और वायुमंडलीय न्यूट्रिनो के दोलनों की व्याख्या करने के लिए बड़े हैं, तीसरा कोण (नाम 𝜃)13) छोटा है, सबसे उपयुक्त मूल्य लगभग 8.6 डिग्री है, और हाल ही में 2011 में चीन में रिएक्टर न्यूट्रिनो प्रयोग दया-बे द्वारा प्रयोगात्मक रूप से मापा गया था। PMNS मैट्रिक्स में, चरणमैं संयोजन sin𝜃 . में ही प्रकट होता है13𝑒±𝑖𝛿मैं, . का प्रायोगिक मापन करनामैं मुश्किल।

क्वार्क और न्यूट्रिनो-क्षेत्रों दोनों में सीपी-उल्लंघन की मात्रा को निर्धारित करने वाले पैरामीटर को जार्ल्सकोग इनवेरिएंट कहा जाता हैमैं (7), जो मिश्रण कोणों और सीपी-उल्लंघन चरण का एक कार्य है। क्वार्क-सेक्टर . के लिएमैं~ 3 × 10-5 , जबकि न्यूट्रिनो-सेक्टर . के लिएमैं~0.033 पाप𝛿मैं, और इस प्रकार 𝐽 . से बड़े परिमाण के तीन क्रम तक हो सकते हैंमैं क्वार्क-सेक्टर में, . के मान पर निर्भर करता हैमैं.

T2K से परिणाम - पदार्थ-एंटीमैटर विषमता के रहस्य को सुलझाने की दिशा में एक संकेत

लॉन्ग-बेसलाइन न्यूट्रिनो ऑसिलेशन प्रयोग T2K (जापान में टोकाई-टू-कमिओका) में, न्यूट्रिनो या एंटीन्यूट्रिनो बीम जापान प्रोटॉन एक्सेलेरेटर रिसर्च कॉम्प्लेक्स (J-PARC) में उत्पन्न होते हैं और सुपर-कामीओकांडे में वाटर-सेरेनकोव डिटेक्टर में पाए जाते हैं। पृथ्वी के माध्यम से 295 किमी की दूरी तय करने के बाद। चूंकि यह त्वरक या तो . के बीम का उत्पादन कर सकता हैμ या इसके एंटीपार्टिकल 𝜈̅𝜇, और डिटेक्टर . का पता लगा सकता हैμ,𝜈𝑒 और उनके एंटीपार्टिकल्स , , उनके पास चार अलग-अलग दोलन प्रक्रियाओं के परिणाम हैं और दोलन मापदंडों पर कुशल सीमा प्राप्त करने के लिए विश्लेषण कर सकते हैं। हालांकि, सीपी-उल्लंघन चरणमैं केवल उस प्रक्रिया में प्रकट होता है जब न्यूट्रीनो स्वाद बदलते हैं यानी दोलनों में 𝜈𝜇→𝜈𝑒 और 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 - इन दो प्रक्रियाओं में कोई भी अंतर लेप्टन-सेक्टर में सीपी-उल्लंघन का संकेत देगा।

हाल के एक संचार में, T2K सहयोग ने 2009 और 2018 (8) के दौरान एकत्र किए गए डेटा का विश्लेषण करते हुए, न्यूट्रिनो क्षेत्र में CP-उल्लंघन पर दिलचस्प सीमा की सूचना दी है। इस नए परिणाम ने . के सभी संभावित मूल्यों के लगभग 42% को खारिज कर दियामैं. इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि जब सीपी संरक्षित किया जाता है तो मामले को 95% विश्वास पर खारिज कर दिया गया है, और साथ ही प्रकृति में अधिकतम सीपी-उल्लंघन को प्राथमिकता दी जाती 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 हाल ही में T2K परिणाम पहली बार न्यूट्रिनो-सेक्टर में CP-उल्लंघन के माध्यम से ब्रह्मांड के पदार्थ-एंटीमैटर विषमता की हमारी समझ की दिशा में एक महत्वपूर्ण विकास है।

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सन्दर्भ:

1. सखारोव, आंद्रेई डी।, 1991। '' सीपी इनवेरिएंस का उल्लंघन, सी विषमता, और ब्रह्मांड की बेरियन विषमता ''। सोवियत भौतिकी उसपेखी, 1991, 34 (5), 392-393। डीओआई: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497

2. बारी Pasquale Di, 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 सकाटा एस, 1962। प्राथमिक कणों के एकीकृत मॉडल पर टिप्पणी। सैद्धांतिक भौतिकी की प्रगति, खंड 28, अंक 5, नवंबर 1962, पृष्ठ 870-880, डीओआई: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870

4. पोंटेकोर्वो बी।, 1958। उलटा बीटा प्रक्रियाएं और लेप्टन चार्ज का गैर-संरक्षण। प्रायोगिक और सैद्धांतिक भौतिकी जर्नल (यूएसएसआर) 34, 247-249 (जनवरी, 1958)। ऑनलाइन मौजूद है http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. 23 अप्रैल 2020 को एक्सेस किया गया।

5. आगमनात्मक भार, 2007. बीटा-माइनस क्षय। [छवि ऑनलाइन] पर उपलब्ध है https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. 23 अप्रैल 2020 को एक्सेस किया गया।

6. तनबाशी एम।, एट अल। (कण डेटा समूह), 2018. न्यूट्रिनो द्रव्यमान, मिश्रण, और दोलन, भौतिक। Rev. D98, 030001 (2018) और 2019 अपडेट। डीओआई: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001

7. जार्ल्सकोग, सी।, 1986। जार्ल्सकोग प्रतिक्रिया करता है। भौतिक. रेव लेट। 57, 2875. डीओआई: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875

8. टी2के सहयोग, 2020। न्यूट्रिनो दोलनों में पदार्थ-एंटीमैटर समरूपता-उल्लंघन चरण पर बाधा। नेचर वॉल्यूम 580, पेज339–344 (2020)। प्रकाशित: 15 अप्रैल 2020। डीओआई: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0

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शमयता रे पीएचडी
शमयता रे पीएचडी
अंतरिक्ष भौतिकी प्रयोगशाला, वीएसएससी, त्रिवेंद्रम, भारत।

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