कण भौतिकी का मानक मॉडल विज्ञान के सबसे प्रभावशाली करतबों में से एक है। यह ब्रह्माण्ड की चार मूलभूत शक्तियों में से तीन को समझने और उनका वर्णन करने का एक कठोर, सटीक प्रयास है: विद्युत चुम्बकीय बल, मजबूत परमाणु बल और कमजोर परमाणु बल। ग्रेविटी अनुपस्थित है क्योंकि अब तक, इसे स्टैंडर्ड मॉडल में फिट करना बेहद चुनौतीपूर्ण रहा है।
लेकिन मानक मॉडल में कुछ छेद हैं, और उनमें से एक में न्यूट्रिनो का द्रव्यमान शामिल है।
न्यूट्रिनो का अस्तित्व पहली बार 1930 में प्रस्तावित किया गया था, फिर 1956 में इसका पता चला। तब से, भौतिकविदों ने सीखा है कि तीन प्रकार के न्यूट्रिनो हैं, और वे प्रचुर और मायावी हैं। केवल विशेष सुविधाएं उनका पता लगा सकती हैं क्योंकि वे शायद ही कभी अन्य मामले के साथ बातचीत करते हैं। उनके लिए कई स्रोत हैं, और उनमें से कुछ बिग बैंग के बाद से अंतरिक्ष से गुजर रहे हैं, लेकिन पृथ्वी के पास अधिकांश न्यूट्रिनो सूर्य से आते हैं।
स्टैंडर्ड मॉडल में भविष्यवाणी की गई है कि न्यूट्रिनो में कोई द्रव्यमान नहीं है, जैसे फोटॉन। लेकिन भौतिकविदों ने पाया है कि तीन तरह के न्यूट्रिनो एक दूसरे में बदल सकते हैं। भौतिकविदों के अनुसार, उन्हें केवल वही करने में सक्षम होना चाहिए, अगर उनके पास द्रव्यमान हो।
लेकिन कितना मास? यह एक प्रश्न है जो कण भौतिक विज्ञानियों को डॉगिंग कर रहा है। और उस प्रश्न का उत्तर देते हुए वैज्ञानिकों ने कातिरिन (कार्ल्स्रुहे ट्रिटियम न्यूट्रिनो दक्षता) पर ड्राइव किया।
"KATRIN सहयोग के ये निष्कर्ष न्यूट्रिनो के लिए पिछली द्रव्यमान सीमा को दो के कारक से कम करते हैं ..."
हामिश रॉबर्टसन, कैथरीन वैज्ञानिक और वॉशिंगटन के विश्वविद्यालय में भौतिकी के प्रोफेसर EMERITUS।
शोधकर्ताओं का एक दल इसके जवाब के साथ आया है: न्यूट्रिनो का द्रव्यमान 1.1 इलेक्ट्रॉन वोल्ट (eV) से बड़ा नहीं हो सकता है। यह न्यूट्रिनो के द्रव्यमान की ऊपरी सीमा में लगभग 1 ईवी की कमी है; 2 ईवी से नीचे 1.1 ईवी तक। पिछले प्रयोगों पर निर्माण करके, जो कम द्रव्यमान सीमा को 0.02 eV पर सेट करते हैं, इन शोधकर्ताओं ने न्यूट्रिनो के द्रव्यमान के लिए एक नई सीमा निर्धारित की है। यह दर्शाता है कि एक न्यूट्रिनो में एक इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान 1 / 500,000 से कम होता है। स्टैंडर्ड मॉडल की उन्नति में यह एक महत्वपूर्ण कदम है।
"न्यूट्रिनो के द्रव्यमान को जानने से वैज्ञानिकों को ब्रह्मांड विज्ञान, खगोल भौतिकी और कण भौतिकी में मूलभूत सवालों के जवाब देने की अनुमति मिलेगी"
हामिश रॉबर्टसन, KATRIN वैज्ञानिक और वाशिंगटन विश्वविद्यालय में भौतिकी के प्रोफेसर एमेरिटस।
इस काम के पीछे के शोधकर्ता दुनिया भर के 20 विभिन्न शोध संस्थानों से आते हैं। वे जर्मनी में कार्लज़ूए इंस्टीट्यूट ऑफ़ टेक्नोलॉजी में कैटरीन के साथ काम कर रहे हैं। KATRIN सुविधा में 10 मीटर उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाला स्पेक्ट्रोमीटर है जो इसे बड़ी सटीकता के साथ इलेक्ट्रॉन ऊर्जा को मापने की अनुमति देता है।
KATRIN टीम ने 13 सितंबर को जापान के टोयामा में एस्ट्रोकार्टिकल एंड अंडरग्राउंड फिजिक्स सम्मेलन में 2019 के विषयों पर अपने परिणाम प्रस्तुत किए।
"न्यूट्रिनो के द्रव्यमान को जानने से वैज्ञानिकों को ब्रह्मांड विज्ञान, खगोल भौतिकी और कण भौतिकी में मौलिक सवालों के जवाब देने की अनुमति मिलेगी, जैसे कि ब्रह्मांड कैसे विकसित हुआ या मानक मॉडल से परे क्या भौतिकी मौजूद है," हतिश रॉबर्टसन, एक कैटरीन वैज्ञानिक और भौतिकी के प्रोफेसर एमेरिटस ने कहा। वाशिंगटन विश्वविद्यालय में। "KATRIN सहयोग के ये निष्कर्ष न्यूट्रिनो के लिए पिछली द्रव्यमान सीमा को दो से कम कर देते हैं, न्युट्रीनो का द्रव्यमान वास्तव में क्या है, इस पर अधिक कठोर मानदंड निर्धारित करते हैं, और निश्चित रूप से इसके मूल्य को मापने के लिए आगे का रास्ता प्रदान करते हैं।"
न्यूट्रीनो का पता लगाना बहुत मुश्किल है, भले ही वे प्रचुर मात्रा में हों। केवल फोटोन अधिक प्रचुर मात्रा में हैं। जैसा कि उनका नाम कहता है, वे विद्युत रूप से तटस्थ हैं। इससे उनका पता लगाना बेहद मुश्किल हो जाता है। अंटार्कटिक बर्फ में गहरे रंग के न्यूट्रिनो वेधशालाएं हैं, और परित्यक्त खानों में भी गहरी हैं। वे न्यूट्रिनों को बातचीत करने के लिए अक्सर भारी पानी का इस्तेमाल करते हैं। जब एक न्यूट्रिनो बातचीत करता है, तो यह चेरेंकोव विकिरण का उत्पादन करता है जिसे मापा जा सकता है।
"अगर आपने प्लूटो की कक्षा से पचास गुना तक सौर प्रणाली को सीसा से भर दिया, तो सूरज द्वारा उत्सर्जित न्यूट्रिनों में से लगभग आधा अभी भी उस सीसा के साथ बातचीत किए बिना सौर प्रणाली को छोड़ देगा," रॉबर्टसन ने कहा।
न्यूट्रिनो का इतिहास समय के साथ-साथ KATRIN जैसे प्रयोगों के साथ विकसित हुआ है। मूल रूप से, मानक मॉडल ने भविष्यवाणी की कि न्यूट्रिनो का कोई द्रव्यमान नहीं होगा। लेकिन 2001 में, दो अलग-अलग डिटेक्टरों ने दिखाया कि उनका द्रव्यमान गैर-शून्य है। 2015 का भौतिकी का नोबेल पुरस्कार दो वैज्ञानिकों को प्रदान किया गया, जिन्होंने दिखाया कि न्यूट्रिनोस द्रव्यमान के बीच दोलन कर सकते हैं, जिससे उन्हें द्रव्यमान होता है।
KATRIN सुविधा न्युट्रीनो के द्रव्यमान को अप्रत्यक्ष रूप से मापती है। यह ट्रिटियम के क्षय की निगरानी करके काम करता है, जो हाइड्रोजन का एक अत्यधिक-रेडियोधर्मी रूप है। जैसे ही ट्रिटियम आइसोटोप सड़ता है, यह कणों के जोड़े का उत्सर्जन करता है: एक इलेक्ट्रॉन और एक एंटी-न्यूट्रिनो। साथ में, वे 18,560 eV ऊर्जा साझा करते हैं।
ज्यादातर मामलों में, कणों की जोड़ी समान रूप से 18,560 ईवी साझा करती है। लेकिन दुर्लभ उदाहरणों में, इलेक्ट्रॉन अधिकांश ऊर्जा को हॉग करता है, न्यूट्रिनो को बहुत कम छोड़ता है। ये दुर्लभ उदाहरण हैं जिन पर वैज्ञानिकों का ध्यान केंद्रित है।
E = mC2 के कारण, इन दुर्लभ मामलों में न्यूट्रिनो के लिए छोड़ी गई ऊर्जा की मात्रा भी उसके द्रव्यमान के बराबर होनी चाहिए। क्योंकि KATRIN में इलेक्ट्रॉन को सही तरीके से मापने की शक्ति है, यह न्यूट्रिनो के द्रव्यमान को निर्धारित करने में भी सक्षम है।
"न्यूट्रिनो के द्रव्यमान को हल करने से हमें एक नया मानक मॉडल बनाने की एक बहादुर नई दुनिया में ले जाया जाएगा," पीटर डो ने कहा, वाशिंगटन विश्वविद्यालय के भौतिकी के प्रोफेसर जो कि कैटरीन पर काम करते हैं।
डो का उल्लेख करने वाले इस नए मानक मॉडल में डार्क मैटर के लिए खाते की क्षमता हो सकती है, जो यूनिवर्स में अधिकांश मामले बनाता है। KATRIN जैसे प्रयास एक दिन दूसरे का पता लगा सकते हैं, चौथे प्रकार के न्यूट्रिनो को बाँझ न्यूट्रिनो कहा जाता है। अब तक यह चौथा प्रकार केवल अनुमान है, लेकिन यह काले पदार्थ के लिए एक उम्मीदवार है।
"न्यूट्रिनो अजीब छोटे कण हैं," डो ने कहा। "हम इतना सर्वव्यापी हैं, और इस मूल्य को निर्धारित करने के बाद हम बहुत कुछ सीख सकते हैं।"
यह दिखाना कि न्यूट्रिनो में द्रव्यमान है, और उस द्रव्यमान की सीमा को बाधित करना, दोनों महत्वपूर्ण हैं। लेकिन कण भौतिक विज्ञानी अभी भी नहीं जानते कि वे अपने द्रव्यमान को कैसे प्राप्त करते हैं। यह संभवत: इस बात से भिन्न है कि अन्य कण किस प्रकार अपना लाभ प्राप्त करते हैं।
KATRIN से इस तरह के परिणाम मानक मॉडल में एक छेद को बंद करने में मदद कर रहे हैं, और ब्रह्मांड की हमारी समग्र समझ में। यूनिवर्स बिग बैंग से प्राचीन न्यूट्रिनो से भरा है, और न्यूट्रिनो के द्रव्यमान में हर उन्नति हमें यह समझने में मदद करती है कि यूनिवर्स का गठन और विकास कैसे हुआ।
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