एक बड़ी, इलेक्ट्रॉन-गिनती मशीन ने अप्रत्यक्ष रूप से भौतिकी में सबसे कम ज्ञात कण का माप बदल दिया है - और डार्क मैटर के साक्ष्य में जोड़ा है।
न्यूट्रिनोस - कणों के द्रव्यमान को मापने के लिए एक अंतर्राष्ट्रीय प्रयास से यह माप पहला परिणाम है जो हमारे ब्रह्मांड को भरता है और इसकी संरचना निर्धारित करता है, लेकिन हम मुश्किल से ही इसका पता लगा पाते हैं। न्यूट्रिनोस, जर्मन-आधारित कार्लज़ूहे ट्रिटियम न्यूट्रिनो प्रयोग (KATRIN) के अनुसार, इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान 0.0002% से अधिक नहीं है। यह संख्या इतनी कम है कि भले ही हम ब्रह्मांड में सभी न्यूट्रिनो को लंबा कर दें, लेकिन वे इसके लापता द्रव्यमान की व्याख्या नहीं कर सकते हैं। और यह तथ्य डार्क मैटर के अस्तित्व के लिए सबूतों के ढेर में जुड़ जाता है।
KATRIN मूल रूप से सुपर-उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉनों की गिनती के लिए एक बहुत बड़ी मशीन है जो ट्रिटियम के नमूने से बाहर निकलते हैं - हाइड्रोजन का एक रेडियोधर्मी रूप। प्रत्येक परमाणु में एक प्रोटॉन और दो न्यूट्रॉन। ट्रिटियम अस्थिर है, और इसके न्यूट्रॉन इलेक्ट्रॉन-न्यूट्रिनो जोड़े में क्षय होते हैं। KATRIN इलेक्ट्रॉनों की तलाश करता है न कि न्यूट्रिनों की क्योंकि न्यूट्रिनोस ठीक नापने के लिए बहुत फीके होते हैं। और मशीन ट्रिटियम गैस का उपयोग करती है, वाशिंगटन विश्वविद्यालय में एक कैटरीन वैज्ञानिक और प्रोफेसर एमेरिटस हैमिश रॉबर्टसन के अनुसार, क्योंकि यह एकमात्र इलेक्ट्रॉन-न्यूट्रिनो स्रोत है जो सरल से एक बड़े पैमाने पर माप प्राप्त करने के लिए पर्याप्त है।
न्युट्रीनो अपने आप ठीक होने के लिए कम या ज्यादा असंभव हैं क्योंकि उनके पास इतना कम द्रव्यमान है और उनके साथ बातचीत किए बिना डिटेक्टरों से बाहर निकलने की प्रवृत्ति है। इसलिए न्यूट्रिनो के द्रव्यमान का पता लगाने के लिए, रॉबर्टसन ने लाइव साइंस को बताया, KATRIN सबसे ऊर्जावान इलेक्ट्रॉनों की गिनती करता है और न्यूट्रिनो के द्रव्यमान को कम करने के लिए उस संख्या से पीछे काम करता है। KATRIN के पहले परिणामों की घोषणा की गई है, और शोधकर्ता एक प्रारंभिक निष्कर्ष पर आए हैं: न्यूट्रिनोस का द्रव्यमान 1.1 इलेक्ट्रॉन वोल्ट (eV) से अधिक नहीं है।
इलेक्ट्रॉन वोल्ट द्रव्यमान और ऊर्जा भौतिक विज्ञानियों की इकाइयाँ हैं जिनका उपयोग ब्रह्मांड की सबसे छोटी चीज़ों के बारे में बात करते समय किया जाता है। (मूल कण के पैमाने पर, ऊर्जा और द्रव्यमान को एक ही इकाइयों का उपयोग करके मापा जाता है, और न्यूट्रिनो-इलेक्ट्रॉन जोड़े के पास अपने स्रोत न्यूट्रॉन के बराबर ऊर्जा स्तर होता है।) हिग्स बोसोन, जो अन्य कणों को उनके द्रव्यमान को उधार देता है, होता है। 125 बिलियन EV का द्रव्यमान। प्रोटॉन, परमाणुओं के केंद्र के कण, लगभग 938 मिलियन ईवी के द्रव्यमान हैं। इलेक्ट्रॉन मात्र 510,000 eV हैं। यह प्रयोग इस बात की पुष्टि करता है कि न्यूट्रिनो अविश्वसनीय रूप से छोटे हैं।
KATRIN एक बहुत बड़ी मशीन है, लेकिन इसके तरीके सीधे हैं, रॉबर्टसन ने कहा। डिवाइस का पहला कक्ष गैसीय ट्रिटियम से भरा है, जिनके न्यूट्रॉन स्वाभाविक रूप से इलेक्ट्रॉनों और न्यूट्रिनो में क्षय होते हैं। एक न्यूट्रॉन के क्षय होने पर भौतिकविदों को पहले से ही पता चल जाता है कि कितनी ऊर्जा शामिल है। कुछ ऊर्जा न्यूट्रिनो के द्रव्यमान और इलेक्ट्रॉन के द्रव्यमान में परिवर्तित हो जाती है। और बाकी उन नव-निर्मित कणों में डाला जाता है, बहुत मोटे तौर पर तय करते हैं कि वे कितनी तेजी से चलते हैं। आमतौर पर, यह अतिरिक्त ऊर्जा इलेक्ट्रॉन और न्यूट्रिनो के बीच समान रूप से वितरित हो जाती है। लेकिन कभी-कभी शेष ऊर्जा के अधिकांश या सभी एक कण या किसी अन्य में फेंक दिए जाते हैं।
उस मामले में, न्यूट्रिनो और इलेक्ट्रॉन के बनने के बाद बची हुई सारी ऊर्जा इलेक्ट्रॉन पार्टनर में डंप हो जाती है, एक सुपर-हाई-एनर्जी इलेक्ट्रॉन, राबर्टसन ने कहा। इसका मतलब है कि न्यूट्रिनो के द्रव्यमान की गणना की जा सकती है: यह न्यूट्रॉन क्षय में शामिल ऊर्जा है जो इलेक्ट्रॉन के द्रव्यमान और प्रयोग में इलेक्ट्रॉनों के अधिकतम ऊर्जा स्तर को घटाती है।
प्रयोग को डिजाइन करने वाले भौतिकविदों ने न्यूट्रिनो को मापने की कोशिश नहीं की; उन लोगों को मशीन से बचने की अनुमति है। इसके बजाय, प्रयोग इलेक्ट्रॉनों को एक विशाल वैक्यूम चेंबर में फ़नल करता है, जिसे स्पेक्ट्रोमीटर कहा जाता है। एक विद्युत प्रवाह फिर एक बहुत मजबूत चुंबकीय क्षेत्र बनाता है जो केवल उच्चतम-ऊर्जा इलेक्ट्रॉनों से गुजर सकता है। उस कक्ष के दूसरे छोर पर एक उपकरण है जो यह बताता है कि क्षेत्र के माध्यम से कितने इलेक्ट्रॉनों को बनाते हैं। जैसे-जैसे KATRIN धीरे-धीरे चुंबकीय क्षेत्र की ताकत बढ़ाता है, रॉबर्टसन ने कहा, इलेक्ट्रॉनों की संख्या सिकुड़ती जा रही है - लगभग जैसे कि यह शून्य करने के लिए सभी तरह से फीका करने जा रहे थे। लेकिन इलेक्ट्रॉन ऊर्जा के स्तर के उस स्पेक्ट्रम के बिल्कुल अंत में, कुछ होता है।
रॉबर्टसन ने कहा, "अंत तक पहुंचने से पहले स्पेक्ट्रम अचानक मर जाता है, क्योंकि न्यूट्रिनो का द्रव्यमान इलेक्ट्रॉन द्वारा चुराया नहीं जा सकता। न्यूट्रिनो के लिए इसे हमेशा पीछे छोड़ना पड़ता है," रॉबर्टसन ने कहा। न्यूट्रिनो का द्रव्यमान स्पेक्ट्रम के बहुत अंत से गायब ऊर्जा की उस छोटी मात्रा से कम होना चाहिए। और कई हफ्तों के रनटाइम के बाद, प्रयोगकर्ताओं ने उस संख्या को लगभग आधी संख्या तक सीमित कर दिया, जिसके बारे में भौतिकविदों को पहले पता था।
न्यूट्रिनो में द्रव्यमान बिल्कुल क्रांतिकारी है; मानक मॉडल, मुख्य भौतिक विज्ञान सिद्धांत जो उप-परमाणु दुनिया का वर्णन करता है, एक बार जोर देने वाले न्यूट्रिनो का कोई द्रव्यमान नहीं होता है, रॉबर्टसन ने बताया। 1980 के दशक तक, रूसी और अमेरिकी शोधकर्ता न्यूट्रिनो द्रव्यमान को मापने की कोशिश कर रहे थे, लेकिन उनके परिणाम समस्याग्रस्त और अव्यवस्थित थे। एक बिंदु पर, रूसी शोधकर्ताओं ने न्यूट्रिनो के द्रव्यमान को लगभग 30 ईवी पर आंका - एक अच्छी संख्या जो न्यूट्रिनोस को लापता लिंक के रूप में प्रकट करती होगी जिसने ब्रह्मांड के भव्य गुरुत्वाकर्षण संरचना को समझाया होगा, जो सभी लापता द्रव्यमान को भरता है; वह गलत निकला।
रॉबर्टसन और उनके सहयोगियों ने पहले गैसीय ट्रिटियम के साथ काम करना शुरू किया, फिर उन्हें एहसास हुआ कि बेहोश हुए रेडियोएक्टिव पदार्थ ने विज्ञान को उपलब्ध न्यूट्रॉन क्षय के सबसे सटीक स्रोत की पेशकश की।
"यह एक लंबी खोज रही है," रॉबर्टसन ने कहा। "30 ईवी का रूसी माप बहुत रोमांचक था क्योंकि यह ब्रह्मांड को गुरुत्वाकर्षण से बंद कर देता था। और यह अभी भी इसी कारण से है। न्यूट्रिनो ब्रह्मांड विज्ञान में एक बड़ी भूमिका निभाते हैं, और उन्होंने शायद ब्रह्मांड के बड़े पैमाने पर संरचना का आकार दिया है।"
वे सभी बेहोश कण अपने गुरुत्वाकर्षण के साथ हर चीज पर टग के चारों ओर उड़ते हैं, और अन्य सभी पदार्थों से ऊर्जा लेते और उधार लेते हैं। यद्यपि जैसे ही जन संख्या कम हो जाती है, रॉबर्टसन ने कहा, इन छोटे कणों की सटीक भूमिका अधिक जटिल हो जाती है।
1.1 ईवी नंबर, शोधकर्ता ने कहा, यह दिलचस्प है क्योंकि यह पहला प्रायोगिक रूप से व्युत्पन्न न्यूट्रिनो द्रव्यमान संख्या है जो अपने आप में ब्रह्मांड के बाकी हिस्सों की संरचना को समझाने के लिए पर्याप्त नहीं है।
उन्होंने कहा, "ऐसा कुछ भी नहीं है जिसके बारे में हम अभी तक कुछ नहीं जानते हैं। यह काला मामला है," और यह उस न्यूट्रिनो से नहीं बन सकता है जिसके बारे में हम जानते हैं।
इसलिए जर्मनी में एक बड़े निर्वात कक्ष से यह छोटी संख्या बहुत कम सबूतों के ढेर में जुड़ जाती है कि ब्रह्मांड में ऐसे तत्व हैं जिन्हें भौतिकी अभी भी नहीं समझती है।
