Probing leptogenesis and the minimal neutrino seesaw mechanism through gravitational waves

ब्रह्मांड पदार्थ से भरा हुआ है, वह चीज़ जिससे तारे, ग्रह और मनुष्य बनते हैं। फिर भी, भौतिकी की हमारी सबसे बुनियादी समझ के अनुसार, बिग बैंग को पदार्थ और प्रति-पदार्थ (antimatter) की समान मात्रा बनानी चाहिए थी। जब ये दोनों विपरीत तत्व मिलते हैं, तो वे एक-दूसरे को नष्ट कर देते हैं, जिससे पीछे कुछ नहीं बचता। यदि यह संतुलन बना रहता, तो ब्रह्मांड एक विशाल, खाली शून्य होता। यह तथ्य कि हम अस्तित्व में हैं, यह सिद्ध करता है कि किसी चीज़ ने तराजू को झुका दिया, जिससे पदार्थ का एक मामूली अधिशेष (surplus) पैदा हुआ जो प्रारंभिक विनाश से बच गया। यह रहस्य, जिसे बेरियन एसिमेट्री (baryon asymmetry) के रूप में जाना जाता है, आधुनिक विज्ञान की सबसे बड़ी पहेलियों में से एक है। एक प्रमुख सिद्धांत बताता है कि यह असंतुलन न्यूट्रिनो के साथ शुरू हुआ, जो कि वे भूतिया, लगभग द्रव्यमान रहित कण हैं जो हर चीज़ के माध्यम से प्रवाहित होते हैं। ये कण प्रारंभिक ब्रह्मांड में इस तरह से क्षय (decay) हो सकते थे जो प्रति-पदार्थ के बजाय पदार्थ के पक्ष में हो, एक ऐसी प्रक्रिया जिसे लेप्टोजेनेसिस (leptogenesis) कहा जाता है। हालाँकि, इस प्रक्रिया को चलाने के लिए आवश्यक भारी कण पृथ्वी पर किसी भी प्रयोगशाला में बनाए जाने के लिए बहुत अधिक विशाल हैं, जिससे इस सिद्धांत का परीक्षण करना कठिन हो जाता है।

एक नया अध्ययन इस अदृश्य इतिहास को देखने का एक तरीका प्रस्तावित करता है—ब्रह्मांड को देखने के बजाय उसे सुनकर। शोधकर्ताओं का सुझाव है कि जब ये भारी, काल्पनिक कण अरबों साल पहले क्षय हुए थे, तो उन्होंने न केवल पदार्थ का असंतुलन पैदा किया; बल्कि उन्होंने अंतरिक्ष-समय के ताने-बाने में एक सूक्ष्म, विशिष्ट लहर भी उत्पन्न की जिसे गुरुत्वाकर्षण तरंग (gravitational wave) कहा जाता है। हालाँकि हम उन भारी कणों को पकड़ने के लिए कोई मशीन नहीं बना सकते, लेकिन लेखकों का तर्क है कि उनके द्वारा छोड़ी गई गुरुत्वाकर्षण तरंगें आज पता लगाने योग्य हो सकती हैं। यह खोज न केवल इस बात की पुष्टि करेगी कि ब्रह्मांड पदार्थ के प्रभुत्व में कैसे आया, बल्कि इन भारी, अनदेखे कणों के अस्तित्व के लिए एक अप्रत्यक्ष जांच भी प्रदान करेगी, जो इस बात के केंद्र में हैं कि न्यूट्रिनो का द्रव्यमान क्यों है।

यह कहानी भौतिकी के मानक मॉडल (Standard Model) से शुरू होती है, जो प्रकृति के मूलभूत निर्माण खंडों का वर्णन करता है। अपने सरलतम रूप में, यह मॉडल यह समझाने में असमर्थ है कि ब्रह्मांड पदार्थ से क्यों भरा है। इसे ठीक करने के लिए, भौतिकविदों ने भारी 'राइट-हैंडेड न्यूट्रिनो' (right-handed neutrinos) का विचार पेश किया। ये हमारे परिचित न्यूट्रिनो के विशाल संबंधी हैं, जो केवल प्रारंभिक ब्रह्मांड की अत्यधिक गर्मी में मौजूद थे। जैसे-जैसे ब्रह्मांड ठंडा हुआ, ये भारी कण हल्के कणों में क्षय हो गए। भौतिकी के नियमों में समरूपता के सूक्ष्म उल्लंघन के कारण, इस क्षय ने प्रति-पदार्थ की तुलना में थोड़ा अधिक पदार्थ का उत्पादन किया। यही मामूली अधिशेष अंततः वह सब कुछ बना जो हम आज देखते हैं। समस्या यह है कि ये भारी कण इतने विशाल हैं कि वे हमारे कण त्वरकों (particle accelerators) की पहुंच से पूरी तरह बाहर हैं। वे बनाने के लिए बहुत भारी हैं, और पकड़े जाने के लिए बहुत अल्पजीवी हैं, जो लेप्टोजेनेसिस के सिद्धांत को एक सम्मोहक विचार बनाता है जो अभी तक अप्रमाणित है।

इस शोध पत्र के लेखकों ने महसूस किया कि जबकि हम कणों को नहीं पकड़ सकते, हम उन्हें सुन सकते हैं। प्रारंभिक ब्रह्मांड में, जब ये भारी कण क्षय हो रहे थे, वे गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र के साथ इस तरह से परस्पर क्रिया कर रहे थे जो अपरिहार्य था। जिस प्रकार एक आवेशित कण त्वरित होने पर प्रकाश उत्सर्जित करता है, उसी प्रकार अंतरिक्ष-समय के ताने-बाने के माध्यम से गति करने वाला एक विशाल कण गुरुत्वाकर्षण तरंग उत्सर्जित कर सकता है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि इन भारी न्यूट्रिनो के क्षय से 'ब्रेम्सस्ट्रालुंग' (bremsstrahlung), या ब्रेकिंग रेडिएशन के रूप में जानी जाने वाली प्रक्रिया के माध्यम से इन तरंगों का एक विस्फोट उत्पन्न होगा। ऐसा तब होता है जब भारी कण हल्के टुकड़ों में विभाजित होते हैं, और ऐसा करते समय, वे एक एकल ग्रैविटॉन (graviton) उत्सर्जित करते हैं, जो गुरुत्वाकर्षण का मौलिक कण है। यह उत्सर्जन क्षय का एक दुष्प्रभाव है, ऊर्जा की एक सूक्ष्म फुसफुसाहट जो गुरुत्वाकर्षण तरंग द्वारा ले जाई जाती है।

टीम ने यह निर्धारित करने के लिए विस्तृत गणना की कि आज यह संकेत कैसा दिखेगा। उन्होंने पाया कि इन तरंगों की आवृत्ति भारी न्यूट्रिनो के द्रव्यमान पर निर्भर करती है। हमारे ब्रह्मांड में पदार्थ की व्याख्या करने के लिए आवश्यक विशिष्ट द्रव्यमान सीमा के लिए, ये तरंगें आज बहुत उच्च आवृत्तियों पर पृथ्वी पर पहुँचेंगी, जो LIGO जैसे वर्तमान वेधशालाओं द्वारा पता लगाए गए निम्न स्तर के उतार-चढ़ाव से कहीं अधिक है। शोधकर्ताओं ने पहचान की कि ये तरंगें 10 से 100 बिलियन हर्ट्ज़ के आसपास की आवृत्तियों पर चरम (peak) पर होंगी। यह एक ऐसी आवृत्ति सीमा है जिसे वर्तमान में पहचानना कठिन है, लेकिन यह भविष्य के प्रस्तावित प्रयोगों की संभावित पहुंच के भीतर आती है जो रेजोनेंट कैविटीज़ (resonant cavities) का उपयोग करते हैं, जो ऐसे उपकरण हैं जिन्हें विशिष्ट उच्च-आवृत्ति तरंगों के साथ तालमेल बिठाने के लिए डिज़ाइन किया गया है।

अध्ययन ने यह भी पता लगाया कि विभिन्न परिदृश्यों के तहत संकेत कैसे बदलता है। मानक तापीय परिदृश्य (standard thermal scenario) में, जहाँ ब्रह्मांड गर्म और सघन है, संकेत उन भारी न्यूट्रिनो के लिए सबसे मजबूत होता है जिनका द्रव्यमान लगभग 10 ट्रिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट होता है। यदि द्रव्यमान कम है, तो संकेत वर्तमान या नियोजित तकनीक के साथ पता लगाने के लिए बहुत कमजोर हो जाता है। यदि द्रव्यमान अधिक है, तो प्रारंभिक ब्रह्मांड का भौतिकी इस तरह बदल जाता है कि पदार्थ की विषमता (asymmetry) मिट जाती है, जिससे सिद्धांत विफल हो जाता है। हालाँकि, लेखकों ने संभावनाओं का विस्तार करने का एक तरीका खोजा। यदि भारी कणों ने एक चरण संक्रमण (phase transition) के दौरान अचानक अपना द्रव्यमान प्राप्त किया, जैसे पानी बर्फ में जम जाता है, तो वे और भी भारी हो सकते हैं, 100 ट्रिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट तक। इस स्थिति में, गुरुत्वाकर्षण तरंग संकेत और भी मजबूत होगा और भविष्य के रेजोनेंट कैविटी प्रयोगों द्वारा पता लगाने योग्य भी होगा। यह परिदृश्य पदार्थ की विषमता को नष्ट किए बिना भारी कणों की अनुमति देता है, जिससे खोज के लिए एक व्यापक अवसर मिलता है।

सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्षों में से एक यह है कि यह गुरुत्वाकर्षण तरंग संकेत लेप्टोजेनेसिस प्रक्रिया का एक अद्वितीय फिंगरप्रिंट (fingerprint) वहन करता है। ब्लैक होल के टकराने या ब्रह्मांड के विस्तार जैसे गुरुत्वाकर्षण तरंगों के अन्य स्रोतों के विपरीत, यह संकेत भारी न्यूट्रिनो के क्षय से सीधे जुड़ा हुआ है। संकेत का आकार, विशेष रूप से आवृत्ति के साथ इसकी शक्ति कैसे बदलती है, कणों के विशिष्ट द्रव्यमान और उनकी अंतःक्रिया की शक्ति को प्रकट करता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि यह संकेत उच्च-आवृत्ति सीमा में एक चिकने, बढ़ते वक्र (curve) के रूप में दिखाई देगा, जबकि बिग बैंग के मुद्रास्फीति काल (inflationary period) से बचे हुए मौलिक तरंगें निम्न-आवृत्ति सीमा को दूषित करती हैं। यह अंतर महत्वपूर्ण है क्योंकि यह वैज्ञानिकों को लेप्टोजेनेसिस के संकेत को अन्य कॉस्मिक शोर (cosmic noise) से अलग करने की अनुमति देता है।

यह शोध पत्र इस दृष्टिकोण की सीमाओं को भी संबोधित करता है। संकेत अत्यंत सूक्ष्म है, और इसे पकड़ने के लिए ऐसे उपकरणों की आवश्यकता होगी जो वर्तमान में संचालित होने वाले किसी भी उपकरण की तुलना में अधिक संवेदनशील हों। लेखक नोट करते हैं कि हालांकि वर्तमान डिटेक्टर इस संकेत को नहीं देख सकते, प्रस्तावित रेजोनेंट कैविटी प्रयोग इसे देख सकते हैं, बशर्ते कि भारी न्यूट्रिनो चर्चा की गई विशिष्ट द्रव्यमान सीमा के भीतर हों। उन्होंने वैकल्पिक सिद्धांतों पर भी विचार किया जहाँ भारी कण हल्के हैं या जहाँ प्रक्रिया अलग तरह से होती है, जैसे कि रेजोनेंट लेप्टोजेनेसिस। उन मामलों में, गुरुत्वाकर्षण तरंग संकेत और भी कमजोर होगा, जो संभवतः किसी भी भविष्योन्मुखी प्रयोग के पता लगाने की सीमा से नीचे होगा। यह सुझाव देता है कि यदि हम ऐसा संकेत देखते हैं, तो यह विशेष रूप से मानक तापीय लेप्टोजेनेसिस परिदृश्य की ओर इशारा करेगा जिसमें भारी कण शामिल हैं।

अंततः, यह कार्य पदार्थ की उत्पत्ति को समझने का एक नया मार्ग प्रदान करता है। भारी न्यूट्रिनो के क्षय द्वारा उत्पन्न गुरुत्वाकर्षण तरंगों की गणना करके, शोधकर्ताओं ने भविष्य के प्रयोगों के लिए एक ठोस लक्ष्य प्रदान किया है। यदि इन उच्च-आवृत्ति तरंगों का पता चलता है, तो यह पुष्टि करेगा कि भारी राइट-हैंडेड न्यूट्रिनो प्रारंभिक ब्रह्मांड में मौजूद थे और क्षय हुए थे। यह इस रहस्य को सुलझा देगा कि ब्रह्मांड पदार्थ से क्यों बना है और 'सी-सॉ मैकेनिज्म' (seesaw mechanism) के अस्तित्व का प्रमाण देगा, जो यह बताता है कि न्यूट्रिनो का द्रव्यमान क्यों है। यह अध्ययन एक सैद्धांतिक विचार को जो दशकों से अपुष्ट था, एक संभावित वास्तविकता में बदल देता है, जिससे पदार्थ की उत्पत्ति की खोज को कॉस्मिक बैकग्राउंड में एक विशिष्ट ध्वनि की खोज में बदल दिया गया है। ब्रह्मांड, ऐसा लगता है, अपने जन्म का रिकॉर्ड रख रहा है, और हम अंततः इसे पढ़ना सीख रहे हैं।