⚛️ nuclear experiments

A study of neutrinoless double electron capture in $^{40}$ Ca from the AMoRE experiment

AMoRE-I प्रयोग ने $^{40}$ Ca में न्यूट्रिनोलेस डबल इलेक्ट्रॉन कैप्चर की खोज के लिए तेरह $^{40}$ Ca $^{100}$ MoO $_4$ क्रिस्टल से 7.32 kg $\cdot$ yr के एक्सपोज़र का विश्लेषण किया, जिसमें कोई महत्वपूर्ण संकेत नहीं मिला और 90% विश्वास स्तर पर $1.7 \times 10^{22}$ वर्षों की निचली अर्ध-आयु सीमा निर्धारित की।

मूल लेखक: AMoRE Collaboration, A. Agrawal, V. V. Alenkov, P. Aryal, J. Beyer, B. Bhandari, R. S. Boiko, K. Boonin, O. Buzanov, C. R. Byeon, N. Chanthima, M. K. Cheoun, J. S. Choe, Seonho Choi, S. Choudhury, J.

प्रकाशित 2026-07-10

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CC BY 4.0

मूल लेखक: AMoRE Collaboration, A. Agrawal, V. V. Alenkov, P. Aryal, J. Beyer, B. Bhandari, R. S. Boiko, K. Boonin, O. Buzanov, C. R. Byeon, N. Chanthima, M. K. Cheoun, J. S. Choe, Seonho Choi, S. Choudhury, J. S. Chung, F. A. Danevich, M. Djamal, D. Drung, C. Enss, A. Fleischmann, A. M. Gangapshev, L. Gastaldo, Y. M. Gavrilyuk, A. M. Gezhaev, O. Gileva, V. D. Grigorieva, V. I. Gurentsov, C. Ha, D. H. Ha, E. J. Ha, D. H. Hwang, E. J. Jeon, J. A. Jeon, H. S. Jo, J. Kaewkhao, C. S. Kang, W. G. Kang, V. V. Kazalov, S. Kempf, A. Khan, S. Khan, D. Y. Kim, G. W. Kim, H. B. Kim, Ho-Jong Kim, H. J. Kim, H. L. Kim, H. S. Kim, M. B. Kim, S. C. Kim, S. K. Kim, S. R. Kim, W. T. Kim, Y. D. Kim, Y. H. Kim, K. Kirdsiri, Y. J. Ko, V. V. Kobychev, V. Kornoukhov, V. V. Kuzminov, D. H. Kwon, C. H. Lee, DongYeup Lee, E. K. Lee, H. J. Lee, H. S. Lee, J. Lee, J. Y. Lee, K. B. Lee, M. H. Lee, M. K. Lee, S. W. Lee, Y. C. Lee, D. S. Leonard, H. S. Lim, B. Mailyan, E. P. Makarov, P. B. Nyanda, Y. Oh, S. L. Olsen, S. I. Panasenko, H. K. Park, H. S. Park, K. S. Park, S. Y. Park, O. G. Polischuk, H. Prihtiadi, S. Ra, S. S. Ratkevich, G. Rooh, E. Sala, M. B. Sari, J. Seo, K. M. Seo, B. Sharma, K. A. Shin, V. N. Shlegel, K. Siyeon, J. So, N. V. Sokur, J. K. Son, J. W. Song, N. Srisittipokakun, V. I. Tretyak, R. Wirawan, K. R. Woo, H. J. Yeon, Y. S. Yoon, Q. Yue

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड एक विशाल, शांत पुस्तकालय है जहाँ कण पुस्तकें हैं। अधिकांश समय, ये पुस्तकें सख्त नियमों का पालन करती हैं: आप बिना किसी निशान के एक पुस्तक को गायब नहीं कर सकते और आप शून्य से एक पुस्तक नहीं बना सकते। लेकिन भौतिकविदों के पास एक जंगली सिद्धांत है कि कभी-कभी, एक बहुत ही विशेष प्रकार का "भूतिया कण" जिसे न्यूट्रिनो कहा जाता है, अपने ही जुड़वां जैसा हो सकता है, जो एक मेजरना (Majorana) कण है। यदि यह सच है, तो यह पुस्तकालय के सबसे पवित्र नियम: लेप्टॉन संख्या (lepton number) के संरक्षण को तोड़ देगा।

इस नियम तोड़ने वाले को रंगे हाथों पकड़ने के लिए, AMoRE सहयोग नामक वैज्ञानिकों की एक टीम ने दक्षिण कोरिया के यांगयांग में 700 मीटर चट्टान के नीचे, गहराई में एक अत्यंत संवेदनशील जाल बनाया। उन्होंने नेट का उपयोग नहीं किया; उन्होंने कैल्शियम मोलिब्डेट (CaMoO₄) से बने तेरह विशाल, अति-ठंडे क्रिस्टल का एक सेट इस्तेमाल किया। इन क्रिस्टलों को परमाणु दुनिया से एक फुसफुसाहट सुनने के लिए प्रतीक्षा करते हुए अति-शांत, जमे हुए कानों के रूप में सोचें।

उनका लक्ष्य एक विशिष्ट परमाणु, कैल्शियम-40 था। आमतौर पर, परमाणु स्थिर होते हैं, लेकिन कभी-कभी, परमाणु के नाभिक के भीतर दो इलेक्ट्रॉन एक ही समय में गायब होने का निर्णय ले सकते हैं। इसे "डबल इलेक्ट्रॉन कैप्चर" कहा जाता है। यदि न्यूट्रिनो अपने ही जुड़वां हैं, तो यह घटना बिना कोई न्यूट्रिनो भेजे घटित हो सकती है। यह बिल्कुल वैसा ही होगा जैसे दो लोग बिना कोई आवाज किए कमरे से चुपके से बाहर निकल जाएं, और पीछे केवल ऊर्जा की एक छोटी, विशिष्ट "धमक" (thump) छोड़ जाएं।

वैज्ञानिकों ने अपना प्रयोग लंबे समय तक चलाया, जिससे 7.3.2 किलोग्राम-वर्ष के एक्सपोजर के बराबर डेटा एकत्र हुआ। वे 193.5 keV के ऊर्जा स्तर पर एक बहुत ही विशिष्ट "धमक" की तलाश कर रहे थे। यह एक शोर भरे कमरे में एक एकल, पूर्ण स्वर को सुनने जैसा है।

बड़ा खुलासा:
इतना सारा सुनने के बाद भी, क्रिस्टल शांत रहे। उन्होंने न्यूट्रिनलेस डबल इलेक्ट्रॉन कैप्चर की उस विशेष "धमक" को नहीं सुना। टीम को इस बात का कोई प्रमाण नहीं मिला कि उनके अवलोकन समय के दौरान यह विशिष्ट घटना हुई थी। इस घटना को पकड़ने के बजाय, उन्होंने एक नया "गति सीमा" (speed limit) निर्धारित किया कि यह कितनी तेजी से हो सकती है। उन्होंने गणना की कि यदि यह घटना होती भी है, तो यह अविश्वसनीय रूप से दुर्लभ होनी चाहिए: यह 1.7 × 10²² वर्षों में एक बार से भी कम बार होती है। इस परिप्रेक्ष्य में रखने के लिए, वह संख्या इतनी विशाल है कि वह ब्रह्मांड की आयु को एक पलक झपकने जैसा बना देती है। यह नई सीमा पिछले प्रयोगों की तुलना में थोड़ी अधिक सख्त है जिन्होंने अलग-अलग क्रिस्टल (CaWO₄) का उपयोग किया था, जिसका अर्थ है कि AMoRE टीम ने इस रहस्य के इर्द-गिर्द शिकंजा और कस दिया है।

भविष्य क्या है?
पेपर यह नहीं कहता कि खोज समाप्त हो गई है; यह केवल यह कहता है कि इस दौर में कोई विजेता नहीं मिला। टीम पहले से ही AMoRE-II नामक एक बड़े, बेहतर संस्करण की योजना बना रही है। उन्हें उम्मीद है कि वे अधिक क्रिस्टल का उपयोग करेंगे और अधिक शांत बैकग्राउंड (पुस्तकालय में कम शोर) का उपयोग करेंगे। कंप्यूटर सिमुलेशन के आधार पर, वे भविष्यवाणी करते हैं कि अगले चरण में, वे उस "गति सीमा" को और भी नीचे, लगभग 9 × 10²² वर्षों तक धकेल सकते हैं।

उन्होंने यह भी नोट किया कि उनका वर्तमान उपकरण एक और भी शांत फुसफुसाहट को सुनने के लिए पर्याप्त संवेदनशील नहीं था: एक प्रक्रिया जिसमें दो न्यूट्रिनो (2ν2K) शामिल हैं जो बहुत कम ऊर्जा 6.4 keV पर होती है। यह भविष्य के, बेहतर डिटेक्टर्स का काम है।

फिलहाल, मुख्य निष्कर्ष इस विशिष्ट प्रयोग के लिए एक ठोस "ना" है। उन्हें कैल्शियम-40 में न्यूट्रिनलेस डबल इलेक्ट्रॉन कैप्चर नहीं मिला, लेकिन यह साबित करके कि यह उतना अक्सर नहीं होता है, उन्होंने हमारे ब्रह्मांड की नियम पुस्तिका के दायरे को थोड़ा और स्पष्ट रूप से मैप करने में मदद की है। खोज जारी है, लेकिन फिलहाल, कैल्शियम परमाणु अपने रहस्य छिपाए हुए हैं।

तकनीकी सारांश: AMoRE प्रयोग से $^{40}$ Ca में न्यूट्रिनोलेस डबल इलेक्ट्रॉन कैप्चर का एक अध्ययन

समस्या विवरण
न्यूट्रिनोलेस डबल इलेक्ट्रॉन कैप्चर ( $0\nu2EC$ ) की खोज लेप्टॉन-नंबर उल्लंघन और न्यूट्रिनो की मेजरोना प्रकृति के लिए एक महत्वपूर्ण जांच के रूप में कार्य करती है। हालांकि AMoRE (एडवांस्ड Mo-बेस्ड रेयर प्रोसेस एक्सपेरिमेंट) सहयोग का प्राथमिक भौतिक लक्ष्य $^{100}$ Mo के न्यूट्रिनोलेस डबल बीटा डिके ( $0\nu\beta\beta$ ) की खोज करना है, यह प्रयोग कैल्शियम मोलिब्डेट ( $^{40}$ Ca $^{100}$ MoO $_4$ या CMO) क्रिस्टल का उपयोग करता है। इन क्रिस्टलों में $^{40}$ Ca एक स्वाभाविक रूप से पाए जाने वाले आइसोटोप के रूप में उच्च आइसोटोपिक सांद्रता ( $\delta \approx 96.94\%$ ) के साथ मौजूद है। यद्यपि $^{40}$ Ca $0\nu2EC$ ( $Q_{2EC} = 193.50$ keV) की क्षय ऊर्जा अनुनाद वृद्धि (resonant enhancement) के अनुकूल नहीं है, फिर भी यह प्रयोग इस दुर्लभ प्रक्रिया की खोज के लिए उपयुक्त है। इस क्षय पर पिछले सीमा निर्धारण CRESST सहयोग द्वारा CaWO $_4$ बोलोमीटर का उपयोग करके किया गया था। यह शोध पत्र AMoRE-I चरण के डेटा का उपयोग करके $^{40}$ Ca के $0\nu2EC$ क्षय की जांच प्रस्तुत करता है।

कार्यप्रणाली
यह विश्लेषण AMoRE-I प्रयोग के एक भौतिक डेटासेट का उपयोग करता है, जो दिसंबर 2020 और मई 2023 के बीच यांगयांग भूमिगत प्रयोगशाला (700 मीटर रॉक ओवरबर्डन) में संचालित किया गया था। डेटासेट तेरह CMO क्रिस्टल से 7.32 kg·yr के कुल एक्सपोजर के अनुरूप है, जो 1.43 kg·yr का विशिष्ट $^{40}$ Ca आइसोटोपिक एक्सपोजर प्रदान करता है।

डिटेक्टर सिस्टम: प्रयोग में मेटालिक मैग्नेटिक कैलोरीमीटर (MMCs) से लैस क्रायोजेनिक डिटेक्टरों का उपयोग किया जाता है जो समवर्ती फोनोन और फोटॉन रीडआउट के लिए हैं। यह डुअल-रीडआउट योजना $\alpha$ -क्षय बैकग्राउंड को खारिज करने के लिए पार्टिकल आइडेंटिफिकेशन की अनुमति देती है।
डेटा प्रोसेसिंग: डेटा का पुन: विश्लेषण कम ऊर्जा थ्रेशोल्ड के लिए अनुकूलित इवेंट ट्रिगर्स, सिग्नल आयाम के लिए इष्टतम फ़िल्टरिंग और सिग्नल अस्थिरता के सुधारों के साथ किया गया था। डेटासेट को दो अवधियों में विभाजित किया गया था: "पावर-आउटेज से पहले" (BPO, दिसंबर 2020–नवंबर 2021) और "पावर-आउटेज के बाद" (APO, जनवरी 2022–मई 2023)। पावर आउटेज के कारण संयोगवश अधिकांश डिटेक्टरों में बेहतर ऊर्जा रिज़ॉल्यूशन प्राप्त हुआ और एक पहले से अप्रतिक्रियाशील मॉड्यूल (CMO 03) सक्रिय हो गया।
ऊर्जा अंशांकन और रिज़ॉल्यूशन: अंशांकन के लिए $^{232}$ Th स्रोत (583, 911, 969, 2615 keV) के $\gamma$ -रे पीक्स और एक 75 keV Pb X-रे पीक का उपयोग किया गया। एसिमेट्रिक टेल्स को ध्यान में रखने के लिए पीक शेप्स को बुकिन (Bukin) फंक्शन का उपयोग करके फिट किया गया। ROI (क्षेत्र-ऑफ-इंटरेस्ट) में फुल विड्थ एट हाफ मैक्सिमम (FWHM) ऊर्जा रिज़ॉल्यूशन को मॉडल किया गया, जिसमें अधिकांश डिटेक्टरों ने APO डेटासेट में 2.5–4 keV FWHM प्राप्त किया।
सिग्नल मॉडलिंग: $^{40}$ Ca में $0\nu2EC$ प्रक्रिया परमाणु कैप्चर (मुख्यतः $f_{KK} \approx 85\%$ , $f_{KL} \approx 14\%$ ) के माध्यम से आगे बढ़ती है। ग्राउंड-टू-ग्राउंड स्टेट ट्रांजिशन के लिए, KK चैनल इंटरनल कन्वर्जन (IC) इलेक्ट्रॉनों के माध्यम से आगे बढ़ता है, जबकि KL चैनल वास्तविक फोटॉन या IC इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित कर सकते हैं। GEANT4 मोंटे कार्लो सिमुलेशन का उपयोग कंटेनमेंट दक्षता ( $\varepsilon_{cont} \approx 0.91–0.93$ ) और कुल डिटेक्शन दक्षता ( $\varepsilon \approx 0.86–0.92$ ) निर्धारित करने के लिए किया गया था, जिसमें CaWO $_4$ की तुलना में CMO के कम घनत्व को भी शामिल किया गया।
सांख्यिकीय विश्लेषण: $Q_{2EC} = 193.5$ keV के आसपास $\pm 12\sigma$ विंडो के भीतर ऊर्जा स्पेक्ट्रम पर एक बिन्ड-एक्सटेंडेड लाइकलीहुड फिट किया गया। बैकग्राउंड मॉडल में एक लीनियर घटक और 186 keV पर एक पीक (जिसे $^{226}$ Ra/ $^{235}$ U के कारण माना गया है) शामिल था। सिग्नल को बुकिन प्रोबेबिलिटी डेंसिटी फंक्शन का उपयोग करके मॉडल किया गया। सिस्टमैटिक अनिश्चितताओं को गॉसियन टर्म्स के माध्यम से नियंत्रित किया गया।

प्रमुख योगदान

प्रथम AMoRE-I सीमा: यह शोध पत्र CMO क्रिस्टल का उपयोग करके $^{40}$ Ca $0\nu2EC$ की पहली हाफ-लाइफ निचली सीमा स्थापित करता है, जो AMoRE डिटेक्टर एरे की अपने प्राथमिक $^{100}$ Mo $0\nu\beta\beta$ कार्यक्रम से परे दुर्लभ प्रक्रियाओं की खोज करने की क्षमता को प्रदर्शित करता है।
सुधारित संवेदनशीलता: विश्लेषण ऊर्जा स्केल पुनर्निर्माण को परिष्कृत करता है और बेहतर ऊर्जा रिज़ॉल्यूशन (पावर आउटेज के बाद) के साथ एक बड़े डेटासेट का उपयोग करता है।
बैकग्राउंड लक्षण वर्णन: अध्ययन ROI में बैकग्राउंड संरचना का विवरण देता है, 186 keV पीक की पहचान करता है और व्यक्तिगत डिटेक्टरों के लिए बैकग्राउंड इंडेक्स को मात्रात्मक रूप से निर्धारित करता है, यह नोट करते हुए कि BPO अवधि में अस्थायी एल्युमीनियम शील्डिंग ने उच्च बैकग्राउंड स्तरों में योगदान दिया।

परिणाम

अवलोकन: क्षेत्र-ऑफ-इंटरेस्ट (193.5 keV) में घटनाओं के किसी महत्वपूर्ण अतिरिक्त (excess) का अवलोकन नहीं किया गया। सर्वश्रेष्ठ-फिट डिके रेट ( $\Gamma_{best} \sim 1.2 \times 10^{-23}$ yr $^{-1}$ ) को बैकग्राउंड में सांख्यिकीय उतार-चढ़ाव के रूप में माना गया है।
हाफ-लाइफ सीमा: 90% कॉन्फिडेंस लेवल (CL) पर, प्रयोग हाफ-लाइफ की निचली सीमा निर्धारित करता है:
$T_{1/2}^{0\nu} > 1.7 \times 10^{22} \text{ yr}$
यह डिके रेट की ऊपरी सीमा $\Gamma_{90} = 4.1 \times 10^{-23}$ yr $^{-1}$ के अनुरूप है।
तुलना: यह परिणाम CRESST सहयोग द्वारा CaWO $_4$ बोलोमीटर का उपयोग करके निर्धारित पिछली सीमा $T_{1/2}^{0\nu} > 1.4 \times 10^{22}$ yr की तुलना में मामूली सुधार है।
संवेदनशीलता अनुमान: वर्तमान डेटासेट के लिए मेडियन अपेक्षित संवेदनशीलता $T_{1/2}^{0\nu} = 2.0^{+0.8}_{-0.6} \times 10^{22}$ yr है।

महत्व और भविष्य की रूपरेखा
शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि AMoRE प्रयोग सफलतापूर्वक CaMoO $_4$ डिटेक्टरों की दुर्लभ क्षय प्रक्रियाओं की खोज करने की क्षमता को प्रदर्शित करता है। हालांकि वर्तमान AMoRE-I डेटासेट $^{40}$ Ca में दो-न्यूट्रिनो डबल K-कैप्चर ( $2\nu2K$ ) प्रक्रिया की खोज के लिए आवश्यक निम्न ऊर्जा थ्रेशोल्ड (6.4 keV) तक नहीं पहुँचता है, फिर भी इसके परिणाम ऐसे शोधों के लिए डिटेक्टर तकनीक को मान्य करते हैं।

आगामी AMoRE-II प्रयोग की ओर देखते हुए, जो 90 kg $^{100}$ Mo का उपयोग करेगा और कम से कम 13 CMO क्रिस्टल बनाए रखेगा, लेखक संवेदनशीलता में महत्वपूर्ण सुधार का अनुमान लगाते हैं। 4.6 kg CMO द्रव्यमान, 5 वर्ष के लाइव टाइम और कम बैकग्राउंड स्तरों को मानते हुए, अपेक्षित मेडियन एक्सक्लूजन संवेदनशीलता 90% CL पर $T_{1/2}^{0\nu} \sim 9 \times 10^{22}$ yr तक पहुँचने का अनुमान है। यह वर्तमान AMoRE-I सीमा पर लगभग पांच गुना सुधार है, जो पांच गुना कम बैकग्राउंड और तीन गुना अधिक एक्सपोजर द्वारा संचालित है। ये निष्कर्ष AMoRE परियोजना की व्यापक भौतिक क्षमता को उजागर करते हैं, जो कुछ-keV के दुर्लभ-घटना खोजों से लेकर MeV-स्केल के स्टैंडर्ड मॉडल से परे भौतिकी के प्रोब तक विस्तृत है।

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