ज़मीन के नीचे पकड़ा गया सूरज का भूत कण: न्यूट्रिनो ने बदला कार्बन का रूप

हजारों मीटर ज़मीन के नीचे, पृथ्वी की पपड़ी की गहरी तहों में, वैज्ञानिकों ने आखिरकार सोलर न्यूट्रिनो को कार्बन-13 को नाइट्रोजन-13 में बदलते हुए पकड़ लिया है। यह पहली बार है जब इस दुर्लभ न्यूट्रिनो-मध्यस्थता वाली न्यूक्लियर रिएक्शन को देखा गया है, जिससे पता चलता है कि ब्रह्मांड के कुछ सबसे मायावी और अमूर्त कण भी सतह से दूर, ज़मीन के नीचे अंधेरे में चुपचाप पदार्थ को कैसे नया आकार दे सकते हैं। कनाडा में न्यूट्रिनो ऑब्ज़र्वेटरी SNOLAB की फिज़िसिस्ट क्रिस्टीन क्रॉस कहती हैं, “यह खोज एक्सपेरिमेंट के लिक्विड सिंटिलेटर में कार्बन-13 की प्राकृतिक मात्रा का उपयोग करके एक खास, दुर्लभ इंटरैक्शन को मापने के लिए की गई है।” “हमारी जानकारी के अनुसार, ये नतीजे कार्बन-13 न्यूक्लियस पर न्यूट्रिनो इंटरैक्शन का अब तक का सबसे कम एनर्जी वाला ऑब्ज़र्वेशन है और यह परिणामी नाइट्रोजन-13 न्यूक्लियस की ग्राउंड स्टेट के लिए इस खास न्यूक्लियर रिएक्शन का पहला सीधा क्रॉस-सेक्शन माप प्रदान करता है।” न्यूट्रिनो इस बड़े, विशाल ब्रह्मांड में सबसे ज़्यादा पाए जाने वाले कणों में से हैं। वे एनर्जी वाली परिस्थितियों में बनते हैं, जैसे कि सुपरनोवा विस्फोट और तारों के दिल में होने वाला एटॉमिक फ्यूजन – इसलिए वे लगभग हर जगह होते हैं।

हालांकि, उन पर कोई इलेक्ट्रिक चार्ज नहीं होता, उनका द्रव्यमान लगभग शून्य होता है, और वे अपने रास्ते में आने वाले दूसरे कणों के साथ मुश्किल से ही इंटरैक्ट करते हैं। इस समय आपके शरीर से सैकड़ों अरबों न्यूट्रिनो गुज़र रहे हैं, बस भूतों की तरह गुज़रते हुए। यही कारण है कि उन्हें प्यार से भूत कण कहा जाता है। लेकिन कभी-कभी, एक न्यूट्रिनो सच में दूसरे कण से टकराता है – यह टक्कर एक बहुत ही हल्की चमक और दूसरे कणों की बौछार पैदा करती है। हालांकि, पृथ्वी की सतह पर उन्हें पहचानना मुश्किल होता है, जहाँ कॉस्मिक किरणें और बैकग्राउंड रेडिएशन सिग्नल को धुंधला कर देते हैं। यही कारण है कि कुछ सबसे अच्छे न्यूट्रिनो डिटेक्टर ज़मीन के बहुत नीचे होते हैं, जहाँ पृथ्वी की पपड़ी खुद एक रेडिएशन शील्ड का काम करती है। वहाँ, बड़े-बड़े चैंबर फोटोडिटेक्टर से ढके होते हैं और एक लिक्विड सिंटिलेटर से भरे होते हैं जो दुर्लभ न्यूट्रिनो इंटरैक्शन से उत्पन्न छोटे संकेतों को बढ़ाता है, जो पूरी, शांत अंधेरे में खिलते हैं।

सूरज के दिल में बने न्यूट्रिनो लगातार पृथ्वी से गुज़र रहे हैं। उनकी एनर्जी एक जानी-मानी रेंज में आती है जो उन्हें वायुमंडलीय और खगोल भौतिकी न्यूट्रिनो से अलग करना आसान बनाती है, जो कहीं ज़्यादा एनर्जी वाले और कहीं ज़्यादा दुर्लभ होते हैं। SNOLAB के SNO+ डिटेक्टर की 2 किलोमीटर (1.24 मील) की गहराई पर, इस एनर्जी बैंड में लगभग सभी घटनाएं सूरज से जुड़ी होती हैं। यूके की ऑक्सफ़ोर्ड यूनिवर्सिटी के फ़िज़िसिस्ट गुलिवर मिल्टन के नेतृत्व में, रिसर्च टीम ने 4 मई 2022 और 29 जून 2023 के बीच इकट्ठा किए गए SNO+ डेटा की जांच की, जिसमें एक खास सिग्नल की तलाश की गई जो स्किंटिलेटर फ़्लूइड के अंदर कार्बन-13 के साथ न्यूट्रिनो के इंटरैक्शन का संकेत देता है। जब एक सोलर इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो कार्बन-13 न्यूक्लियस से टकराता है, तो टक्कर दो काम करती है। पहला है एक इलेक्ट्रॉन का बनना, जो एक नेगेटिव चार्ज वाला पार्टिकल है, क्योंकि एटॉमिक न्यूक्लियस न्यूट्रिनो को सोख लेता है।

कार्बन एटम के न्यूक्लियस के अंदर 13 पार्टिकल्स होते हैं: छह पॉजिटिव चार्ज वाले प्रोटॉन और सात न्यूट्रल न्यूट्रॉन। न्यूट्रिनो द्वारा शुरू किया गया कमज़ोर इंटरैक्शन उन न्यूट्रॉन में से एक को प्रोटॉन में बदल देता है, जिससे एक इलेक्ट्रॉन निकलता है। प्रोटॉन की संख्या छह से बढ़कर सात होने पर, एटम अब कार्बन नहीं रहता बल्कि नाइट्रोजन-13 बन जाता है, जिसमें सात प्रोटॉन और छह न्यूट्रॉन होते हैं। लगभग 10 मिनट बाद, बनने वाला नाइट्रोजन-13 – नाइट्रोजन का एक अस्थिर रेडियोएक्टिव आइसोटोप जिसकी हाफ-लाइफ़, जैसा कि आपने अंदाज़ा लगाया, 10 मिनट है – डीके होता है, जिससे एक खास एंटी-इलेक्ट्रॉन, या पॉज़िट्रॉन निकलता है। शुरू से आखिर तक इंटरैक्शन का नतीजा एक खास दो-स्टेप वाली चमक होती है जिसे डिलेड कोइंसिडेंस कहा जाता है। असल में, रिसर्चर 10 मिनट बाद एक इलेक्ट्रॉन के बाद एक पॉज़िट्रॉन देख सकते हैं, जो न्यूट्रिनो द्वारा कार्बन-13 को नाइट्रोजन-13 में बदलने का एक सिग्नेचर है। 231 दिनों के ऑब्ज़र्वेशन डेटा से, रिसर्चर ने 60 कैंडिडेट घटनाओं की पहचान की। अपने कैंडिडेट इवेंट डेटा को अपने स्टैटिस्टिकल मॉडल से गुज़ारने पर 5.6 न्यूट्रिनो-संचालित कार्बन-नाइट्रोजन ट्रांसम्यूटेशन का अनुमान लगाया गया। यह असल में अनुमानित 4.7 घटनाओं के काफी करीब है जिनकी उन्हें उम्मीद थी।

मिल्टन कहते हैं, “इस इंटरैक्शन को कैप्चर करना एक असाधारण उपलब्धि है।” “कार्बन आइसोटोप के दुर्लभ होने के बावजूद, हम न्यूट्रिनो के साथ इसके इंटरैक्शन को देख पाए, जो सूरज के कोर में पैदा हुए थे और हमारे डिटेक्टर तक पहुंचने के लिए बहुत लंबी दूरी तय की।” नतीजा रोमांचक है। थ्योरी की भविष्यवाणियों की पुष्टि होना हमेशा संतोषजनक होता है, क्योंकि इसका मतलब है कि साइंस सही रास्ते पर है। यह इस खास कम-ऊर्जा वाले न्यूट्रिनो-कार्बन रिएक्शन की संभावना का एक नया माप भी देता है। इसका मतलब है कि यह न्यूक्लियर फिजिक्स के लिए एक नया बेंचमार्क सेट करता है जो भविष्य की स्टडीज़ में उपयोगी होगा। ऑक्सफ़ोर्ड यूनिवर्सिटी के फिज़िसिस्ट स्टीवन बिलर कहते हैं, “सौर न्यूट्रिनो खुद कई सालों से स्टडी का एक दिलचस्प विषय रहे हैं, और हमारे पिछले एक्सपेरिमेंट, SNO द्वारा किए गए इनके मापों की वजह से 2015 का फिजिक्स का नोबेल पुरस्कार मिला था।” “यह कमाल की बात है कि सूरज से आने वाले न्यूट्रिनो के बारे में हमारी समझ इतनी बढ़ गई है कि अब हम उन्हें पहली बार दूसरे तरह के दुर्लभ एटॉमिक रिएक्शन की स्टडी करने के लिए ‘टेस्ट बीम’ के तौर पर इस्तेमाल कर सकते हैं!” यह रिसर्च फिजिकल रिव्यू लेटर्स में पब्लिश हुई है।

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