Low scale leptogenesis and $TM_1$ mixing in neutrinophillic two Higgs doublet model($\nu$2HDM) with S4 flavor symmetry

ब्रह्मांड सितारों से लेकर हमारे अपने शरीर के परमाणुओं तक, पदार्थ से भरा हुआ है, फिर भी यह एक गहरा रहस्य है कि यह पदार्थ अस्तित्व में क्यों है। भौतिकी के सबसे मौलिक नियमों के अनुसार, बिग बैंग से पदार्थ और प्रति-पदार्थ (antimatter) की समान मात्रा उत्पन्न होनी चाहिए थी, जो एक-दूसरे को तुरंत नष्ट कर देती, जिससे केवल शुद्ध ऊर्जा और कुछ भी शेष नहीं बचता। तथ्य यह है कि हम यहाँ हैं, सितारों और ग्रहों के ब्रह्मांड से घिरे हुए हैं, यह दर्शाता है कि अरबों साल पहले एक सूक्ष्म, अस्पष्ट असंतुलन ने पदार्थ के पक्ष में तराजू को झुका दिया था। भौतिक विज्ञानी लंबे समय से इस उत्तरजीविता के पीछे के तंत्र की तलाश कर रहे हैं, यह देखते हुए कि कौन सी प्रक्रिया प्रारंभिक ब्रह्मांड में प्रति-पदार्थ की तुलना में पदार्थ की थोड़ी अधिकता उत्पन्न कर सकती है। साथ ही, एक और गहरा रहस्य उभरा है: न्यूट्रिनो, वे भूतिया कण जो सब कुछ के माध्यम से प्रवाहित होते हैं, लंबे समय तक द्रव्यमान रहित माने जाते थे, लेकिन प्रयोगों ने सिद्ध किया है कि उनके पास एक सूक्ष्म, मायावी द्रव्यमान है। ये कण द्रव्यमान कैसे प्राप्त करते हैं और वे पदार्थ के निर्माण को कैसे प्रेरित कर सकते हैं, इसे समझना एक ही सिक्के के दो पहलू हैं, और एक को हल करने से दूसरे के रहस्य खुल सकते हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नया सैद्धांतिक ढांचा प्रस्तावित किया है जो इन दोनों रहस्यों को एक साथ हल करने का प्रयास करता है। उन्होंने मानक मॉडल (Standard Model)—जो सभी ज्ञात कणों और बलों का वर्णन करने वाली नियम पुस्तिका है—का एक संशोधित संस्करण बनाया है, जिसमें कुछ विशिष्ट सामग्रियां जोड़ी गई हैं। उनके विचार का मूल आधार एक दूसरे प्रकार के हिग्स क्षेत्र (Higgs field) को पेश करना है, जो कणों को द्रव्यमान देता है, जो साधारण पदार्थ के साथ बहुत कमजोर रूप से अंतःक्रिया करता है लेकिन एक नए प्रकार के भारी न्यूट्रिनो के साथ मजबूती से जुड़ा होता है। यह व्यवस्था, जिसे 'न्यूट्रिनोफिलिक टू हिग्स डबलट मॉडल' (neutrinophilic two Higgs doublet model) के रूप में जाना जाता है, भारी न्यूट्रिनो को पहले के अनुमानों की तुलना में बहुत कम ऊर्जा स्तर पर मौजूद रहने की अनुमति देती है, जिससे वे वर्तमान और भविष्य के कण प्रयोगों की पहुंच के भीतर आ जाते हैं। अपने मॉडल को भविष्य कहने योग्य बनाने के लिए और न्यूट्रिनो के यात्रा के दौरान अपनी पहचान बदलने के विशिष्ट पैटर्न की व्याख्या करने के लिए, शोधकर्ताओं ने प्रणाली पर एक विशिष्ट गणितीय समरूपता (symmetry) लागू की। यह समरूपता नियमों के एक सख्त सेट की तरह कार्य करती है जो यह निर्धारित करती है कि कण कैसे परस्पर क्रिया कर सकते हैं, जिससे मॉडल को न्यूट्रिनो मिश्रण का एक बहुत ही विशिष्ट पैटर्न उत्पन्न करने के लिए मजबूर किया जाता है जिसे 'ट्राइमैक्सिमल मिक्सिंग' (Trimaximal mixing) कहा जाता है।

इस ढांचे के भीतर विस्तृत गणनाएं चलाने के बाद, शोधकर्ताओं ने पाया कि उनका मॉडल न्यूट्रिनो के देखे गए गुणों को सफलतापूर्वक पुनरुत्पादित करता है, जिसमें उनका द्रव्यमान और वे कोण भी शामिल हैं जिनमें वे मिश्रित होते हैं। मॉडल भविष्यवाणी करता है कि सबसे हल्का न्यूट्रिनो लगभग शून्य द्रव्यमान का है, जबकि अन्य दो का द्रव्यमान उन सीमाओं के भीतर फिट बैठता है जो वैश्विक प्रयोगों द्वारा मापी गई हैं। एक विशेष रूप से उल्लेखनीय भविष्यवाणी न्यूट्रिनो के प्रभावी द्रव्यमान से संबंधित है, जो एक मान है कि यह निर्धारित करता है कि कण के 'न्यूट्रिनोलेस डबल-बीटा क्षय' नामक दुर्लभ प्रक्रिया से गुजरने की कितनी संभावना है। मॉडल सुझाव देता है कि यह मान अत्यंत छोटा है, जो एक अरबवें हिस्से के दस लाखवें हिस्से के 4 और 5 के बीच गिरता है। यह वर्तमान प्रयोगों की संवेदनशीलता सीमाओं से काफी कम है, जिसका अर्थ है कि हमारे सबसे उन्नत डिटेक्टर भी अभी इस सूक्ष्म संकेत को देखने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली नहीं हैं, हालांकि भविष्य के बड़े प्रयोग अंततः इस सूक्ष्म सीमा की जांच करने में सक्षम हो सकते हैं।

अध्ययन ने यह भी जांचा कि क्या यह ढांचा पदार्थ-प्रति-पदार्थ के असंतुलन की उत्पत्ति की व्याख्या कर सकता है। प्रारंभिक ब्रह्मांड में, मॉडल में पेश किए गए भारी न्यूट्रिनो का क्षय हुआ होगा, और नई समरूपता द्वारा अनुमत विशिष्ट अंतःक्रियाओं के कारण, इन क्षयों ने लेप्टॉन (leptons) की एक हल्की अधिकता उत्पन्न की होगी, जो कणों का एक परिवार है जिसमें इलेक्ट्रॉन और न्यूट्रिनो शामिल हैं। इस लेप्टॉन अधिकता को आज हम जो पदार्थ देखते हैं, उसमें परिवर्तित किया गया होगा। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि यह प्रक्रिया, जिसे 'लेप्टोजेनेसिस' (leptogenesis) कहा जाता है, प्रभावी रूप से काम कर सकती है, भले ही भारी न्यूट्रिनो लगभग 10 TeV के अपेक्षाकृत निम्न ऊर्जा स्तर पर मौजूद हों, जो पुराने सिद्धांतों के आवश्यक ट्रिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट की तुलना में कहीं अधिक सुलभ है। उन्होंने दिखाया कि नए कणों के द्रव्यमान और उनके अंतर्संबंधों की शक्ति को सावधानीपूर्वक संतुलित करके, मॉडल आज ब्रह्मांड में देखी जाने वाली पदार्थ की विषमता की सटीक मात्रा उत्पन्न कर सकता है।

हालाँकि, यह मॉडल बाधाओं से मुक्त नहीं है। शोधकर्ताओं को यह सुनिश्चित करना पड़ा कि उनके द्वारा पेश किए गए नए कण और बल ज्ञात प्रयोगात्मक सीमाओं का उल्लंघन न करें, विशेष रूप से उन दुर्लभ प्रक्रियाओं के संबंध में जहाँ एक प्रकार का आवेशित लेप्टॉन दूसरे में बदल जाता है, जैसे कि म्यूऑन का इलेक्ट्रॉन और फोटॉन में बदलना। उनकी गणनाओं ने दिखाया कि उनके मॉडल में अंतःक्रियाओं की शक्ति इतनी कमजोर है कि वह MEG सहयोग द्वारा निर्धारित सख्त प्रयोगात्मक सीमाओं को संतुष्ट करती है। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि कणों और समरूपताओं की यह विशिष्ट व्यवस्था न्यूट्रिनो द्रव्यमान की प्रकृति और ब्रह्मांड में पदार्थ के अस्तित्व, दोनों के लिए एक सुसंगत और परीक्षण योग्य स्पष्टीकरण प्रदान करती है। यह एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है, जो सैद्धांतिक भविष्यवाणियों को प्रयोगात्मक संभावनाओं से जोड़ता है, और सुझाव देता है कि इन ब्रह्मांडीय प्रश्नों के उत्तर हमारे वर्तमान उपकरणों की पहुंच से बस थोड़ी ही दूर हैं, जो भौतिकी के अगले पीढ़ी के प्रयोगों में खोजे जाने की प्रतीक्षा कर रहे हैं।