⚛️ nuclear experiments

Search for two-neutrino double electron capture in $^{36}$ Ar with the DarkSide-50 detector

DarkSide-50 प्रयोग ने अंडरग्राउंड आर्गन का उपयोग करके $^{36}$ Ar में टू-न्यूट्रिनो डबल इलेक्ट्रॉन कैप्चर की पहली खोज की, जिसने बिना किसी महत्वपूर्ण संकेत के 90% विश्वास स्तर पर $9.2 \times 10^{19}$ वर्षों की अर्ध-आयु की निचली सीमा निर्धारित की, जबकि आगामी DarkSide-20k डिटेक्टर के साथ 100 गुना संवेदनशीलता सुधार का अनुमान लगाया है।

मूल लेखक: 50 Collaboration, P. Agnes, I. F. M. Albuquerque, T. Alexander, A. K. Alton, M. Ave Pernas, H. O. Back, G. Batignani, W. M. Bonivento, B. Bottino, S. Bussino, M. Cadeddu, M. Cadoni, A. Caminata, N. Ca

प्रकाशित 2026-07-14

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CC BY 4.0

मूल लेखक: 50 Collaboration, P. Agnes, I. F. M. Albuquerque, T. Alexander, A. K. Alton, M. Ave Pernas, H. O. Back, G. Batignani, W. M. Bonivento, B. Bottino, S. Bussino, M. Cadeddu, M. Cadoni, A. Caminata, N. Canci, M. Caravati, N. Cargioli, M. Carlini, S. Chashin, A. Chepurnov, S. Davini, S. De Cecco, D. Díaz Mairena, F. Dordei, G. Fiorillo, D. Franco, F. Gabriele, C. Galbiati, G. K. Giovanetti, M. Gromov, M. Gulino, B. R. Hackett, F. Hubaut, A. Ianni, V. Ippolito, F. Karpeshin, D. Korablev, G. Korga, M. Kuss, M. La Commara, M. Lai, M. Lissia, O. Lychagina, I. Machulin, S. M. Mari, J. Maricic, R. Milincic, M. Morrocchi, P. Musico, M. Pallavicini, L. Pandola, E. Pantic, E. Paoloni, K. Pelczar, V. Pesudo, A. Pocar, S. Pordes, P. Pralavorio, M. Razeti, A. L. Renshaw, M. Rescigno, D. Sablone, O. Samoylov, S. Sanfilippo, R. Santorelli, C. Savarese, A. Sheshukov, M. Skorokhvatov, O. Smirnov, A. Sotnikov, S. Stracka, Y. Suvorov, R. Tartaglia, G. Testera, A. Vishneva, B. Vogelaar, M. Wada, Y. Wang, S. Westerdale, M. M. Wojcik, C. Yang, G. Zuzel

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

परमाणु की कल्पना एक छोटे, हलचल भरे शहर के रूप में करें। इस शहर के भीतर, नाभिक (nucleus) मेयर का कार्यालय है, और इलेक्ट्रॉन इसके चारों ओर विभिन्न मोहल्लों (शेल) में रहने वाले नागरिक हैं। आमतौर पर, ये नागरिक अपनी जगह पर टिके रहने में बहुत खुश रहते हैं। लेकिन कभी-कभी, एक बहुत ही दुर्लभ और शर्मीली घटना में, सबसे भीतरी मोहल्ले (K-शेल) के दो नागरिक या एक भीतरी और एक अगले मोहल्ले (L-शेल) का नागरिक मेयर के कार्यालय में घुसने और गायब होने का निर्णय लेते हैं।

जब वे गायब होते हैं, तो वे अपने साथ दो नन्हे, भूतिया संदेशवाहक ले जाते हैं जिन्हें न्यूट्रिनो कहा जाता है। इस घटना को टू-न्यूट्रिनो डबल इलेक्ट्रॉन कैप्चर कहा जाता है। यह एक दोहरे अपहरण जैसा है जहाँ पीड़ित इलेक्ट्रॉन हैं और अपहरणकर्ता न्यूट्रिनो हैं, और यह पूरी घटना इतनी दुर्लभ है कि एक एकल परमाणु में इसे एक बार देखने के लिए ब्रह्मांड की आयु से भी अधिक समय लग सकता है।

डार्कसाइड-50 (DarkSide-50) प्रयोग के वैज्ञानिकों ने इस विशिष्ट प्रकार के परमाणु में इस दुर्लभ घटना को पकड़ने के लिए जासूसी करने का निर्णय लिया: आर्गन-36 (आर्गन गैस का एक संस्करण)। उन्होंने नियमित हवा वाले आर्गन का उपयोग नहीं किया। इसके बजाय, उन्होंने "अंडरग्राउंड आर्गन" का उपयोग किया, जिसे पृथ्वी के नीचे एक खदान से निकाला गया था। यह विशेष आर्गन एक सुपर-क्लीन रूम की तरह है क्योंकि यह इतने लंबे समय तक कॉस्मिक किरणों से सुरक्षित रहा है कि इसमें वह रेडियोधर्मी संबंधी (आर्गन-39) गायब है जो आमतौर पर शोर पैदा करता है।

बड़ी खोज
टीम ने तरल आर्गन से भरा एक विशाल, अत्यंत संवेदनशील जाल स्थापित किया। उन्होंने परमाणु से एक बहुत ही विशिष्ट "चीख" के लिए इंतजार किया और निगरानी की। जब वे दो इलेक्ट्रॉन गायब होते हैं, तो परमाणु उत्तेजित हो जाता है और अपने शेष नागरिकों को पुनर्व्यवस्थित करता है, जिससे ऊर्जा का एक छोटा सा विस्फोट निकलता है। वैज्ञानिकों ने गणना की कि यह विस्फोट लगभग 4.8 keV (या उनके डिटेक्टर के पैमाने पर लगभग 62 या 47 "आयनीकरण इलेक्ट्रॉन") के एक विशिष्ट सिग्नल जैसा दिखना चाहिए।

उन्होंने इस विशेष अंडरग्राउंड आर्गन के 19.4 किलोग्राम लक्ष्य द्रव्यमान के साथ 633.5 दिन (लगभग 1.7 वर्ष) तक प्रतीक्षा की। कुल मिलाकर, उन्होंने 12 टन-दिन का एक्सपोजर एकत्र किया। यह ऐसा है जैसे आपके पास एक छोटी बाथटब के आकार की आर्गन की बाल्टी हो और आप डेढ़ साल से अधिक समय तक एक विशिष्ट फुसफुसाहट की तलाश कर रहे हों।

फैसला: सन्नाटा
क्या उन्हें वह फुसफुसाहट मिली? नहीं।

पेपर रिपोर्ट करता है कि उन्होंने शून्य सांख्यिकीय रूप से महत्वपूर्ण अतिरिक्त घटनाएं देखीं। डिटेक्टर ने सामान्य बैकग्राउंड शोर (जैसे शहर की गुनगुनाहट) के अलावा कुछ नहीं सुना। क्योंकि उन्हें सिग्नल नहीं मिला, इसलिए वे यह माप नहीं सके कि यह कितनी बार होता है। इसके बजाय, उन्होंने एक नियम निर्धारित किया: "यदि यह घटना वास्तव में होती है, तो यह हमारी सोच से भी अधिक दुर्लभ होनी चाहिए।"

उन्होंने गणना की कि आधे आर्गन-36 परमाणुओं को यह करतब दिखाने में लगने वाला समय (हाफ-लाइफ) 9.2 × 10¹⁹ वर्ष से अधिक होना चाहिए। इसे समझने के लिए, यह संख्या इतनी बड़ी है कि इसकी कल्पना करना कठिन है। इसका अर्थ है कि यह घटना अविश्वसनीय रूप से, लगभग असंभव रूप से दुर्लभ है।

इसका क्या अर्थ है
यह पेपर स्पष्ट रूप से इस घटना को खारिज करता है कि यह उतनी बार होती है जितनी कि कुछ पुरानी, सरल धारणाओं ने उम्मीद की थी। यह यह साबित नहीं करता कि यह घटना कभी नहीं होती है; यह केवल यह साबित करता है कि यदि यह होती है, तो यह एक ऐसे भूत की तरह है जो पहले से भी बेहतर तरीके से छिपता है।

वैज्ञानिकों ने भविष्य के एक प्रयोग डार्कसाइड-20k (DarkSide-20k) की ओर भी देखा। उन्होंने सिमुलेशन (वर्तमान डेटा के आधार पर कंप्यूटर अनुमान) चलाए कि क्या होगा यदि वे एक बहुत बड़ा जाल बनाएं जिसमें 34 टन आर्गन हो और वे 10 साल तक प्रतीक्षा करें। उनके मॉडल सुझाव देते हैं कि यह नया, बड़ा प्रयोग लगभग 100 गुना अधिक संवेदनशील हो सकता है। यह अंततः घटना को पकड़ने में सक्षम हो सकता है यदि यह 10²² वर्ष की दर पर हो रही हो।

निष्कर्ष
फिलहाल, आर्गन-36 में डबल इलेक्ट्रॉन कैप्चर का रहस्य अनसुलझा है। डार्कसाइड-50 टीम को खजाना नहीं मिला, लेकिन उन्होंने एक बहुत ही सटीक मानचित्र बनाया जो दिखाता है कि खजाना कहाँ नहीं है। उन्होंने सिद्ध किया कि यदि खजाना मौजूद है, तो वह पहले से कहीं अधिक गहरा और छिपा हुआ है, जिससे एक नया, सख्त सीमा स्तर T₁/₂ > 9.2 × 10¹⁹ वर्ष (90% विश्वास स्तर पर) स्थापित हुआ है। खोज जारी है, लेकिन फिलहाल, परमाणु अपना रहस्य छिपाए हुए है।

तकनीकी सारांश: डार्कसाइड-50 डिटेक्टर के साथ $^{36}\text{Ar}$ में टू-न्यूट्रिनो डबल इलेक्ट्रॉन कैप्चर की खोज

समस्या और प्रेरणा
टू-न्यूट्रिनो डबल इलेक्ट्रॉन कैप्चर ( $2EC_{2\nu}$ ) एक दुर्लभ द्वितीय-क्रम (second-order) कमजोर-परस्पर क्रिया (weak-interaction process) है जहाँ एक परमाणु नाभिक एक साथ परमाणु कोशों (atomic shells) से दो इलेक्ट्रॉनों को पकड़ लेता है, जिससे दो न्यूट्रिनो उत्सर्जित होते हैं। जबकि न्यूट्रिनलेस मोड ( $2EC_{0\nu}$ ) न्यूट्रिनो भौतिकी (विशेष रूप से मेजरना न्यूट्रिनो और लीप्टन नंबर उल्लंघन) की खोज के लिए एक प्राथमिक लक्ष्य है, टू-न्यूट्रिनो मोड एक स्टैंडर्ड मॉडल-अनुमत प्रक्रिया है। $^{36}\text{Ar}$ के $2EC_{2\nu}$ अर्ध-आयु (half-life) का प्रयोगात्मक मापन परमाणु मैट्रिक्स तत्व (nuclear matrix element - NME) गणनाओं के लिए एक महत्वपूर्ण परीक्षण प्रदान करता है, जो न्यूट्रिनलेस मोड की दरों की भविष्यवाणी करने के लिए आवश्यक हैं।

$^{36}\text{Ar}$ इस प्रक्रिया के लिए एक संभावित उम्मीदवार है, जिसकी सैद्धांतिक रूप से अनुमानित अर्ध-आयु लगभग $1.7 \times 10^{29}$ वर्ष है। यह भविष्यवाणी $^{124}\text{Xe}$ (हाल ही में XENON1T द्वारा देखा गया) की तुलना में काफी लंबी है क्योंकि इसमें क्षय ऊर्जा कम है ( $Q \approx 433$ keV बनाम $\approx 2.8$ MeV) और $^{36}\text{Ar}$ नाभिक की "डबली मैजिक" प्रकृति ( $Z=N=18$ ) परमाणु मैट्रिक्स तत्व को दबा देती है। इस कार्य से पूर्व, $^{36}\text{Ar}$ में $2EC_{2\nu}$ के लिए कोई प्रयोगात्मक खोज नहीं की गई थी। चुनौती रेडियोधर्मी अशुद्धियों के बैकग्राउंड के विरुद्ध निम्न-ऊर्जा वाले परमाणु उत्तेजना संकेतों (ऑगर इलेक्ट्रॉन और एक्स-रे) का पता लगाने में निहित है, जिसके लिए अत्यंत निम्न-रेडियोधर्मिता वाले डिटेक्टर और आर्गन के बड़े एक्सपोजर की आवश्यकता होती है।

कार्यप्रणाली
यह अध्ययन डार्कसाइड-50 प्रयोग का उपयोग करता है, जो इटली के लैबोरेटोरी नैज़ियोनली डेल ग्रान सासो (LNGS) में स्थित है। डिटेक्टर एक ड्यूल-फेज लिक्विड आर्गन (LAr) टाइम प्रोजेक्शन चैंबर (TPC) है जिसका सक्रिय द्रव्यमान $(46.4 \pm 0.7)$ किग्रा है।

लक्ष्य सामग्री: प्रयोग में एक खदान से निकाले गए अंडरग्राउंड आर्गन (UAr) का उपयोग किया गया था, जो वायुमंडलीय आर्गन की तुलना में कॉस्मोजेनिक आइसोटोप $^{39}\text{Ar}$ से विरल (depleted) है। UAr लक्ष्य में $^{36}\text{Ar}$ की आइसोटोपिक प्रचुरता को इंडक्टिवली कपल्ड प्लाज्मा मास स्पेक्ट्रोमेट्री (ICP-MS) के माध्यम से निर्धारित किया गया था, जो $\eta_{\text{UAr}}^{36\text{Ar}} = (7.32 \pm 0.13) \times 10^{-3}\%$ है, जो वायुमंडलीय आर्गन के सापेक्ष $45.6 \pm 0.8$ का डिप्लीशन फैक्टर दर्शाता है।
सिग्नल की विशेषताएं: $^{36}\text{Ar}$ में $2EC_{2\nu}$ प्रक्रिया में दो इलेक्ट्रॉनों का K-शेल (KK-कैप्चर, $\sim74\%$ प्रायिकता) या एक K-शेल और एक L-शेल (KL-कैप्चर, $\sim26\%$ प्रायिकता) से कैप्चर शामिल है। परिणामी परमाणु रिक्तियां (vacancies) ऑगर इलेक्ट्रॉनों और विशिष्ट एक्स-रे की एक श्रृंखला (cascade) उत्पन्न करती हैं। कुल ऊर्जा रिलीज लगभग 4.8 keV है, जो लिक्विड आर्गन में आयनीकरण संकेतों के रूप में प्रकट होती है।
डेटा चयन: विश्लेषण में दिसंबर 2015 से दिसंबर 2018 के बीच एकत्र किए गए 633.5 लाइव-डे का डेटा शामिल है, जो लगभग 12.3 टन-दिन का कुल एक्सपोजर है। बाहरी बैकग्राउंड को न्यूनतम करने के लिए $(19.4 \pm 0.3)$ किग्रा का एक फिड्यूशियल मास परिभाषित किया गया था। खोज के लिए रुचि का क्षेत्र (ROI) $[27, 100]$ पुनर्निर्मित इलेक्ट्रॉनों ( $N_e$ ) का आयनीकरण चार्ज है, जो लगभग 1–4 keV के बराबर है।
सिग्नल मॉडलिंग और सत्यापन: सिग्नल स्पेक्ट्रम को KK- और KL-कैप्चर चैनलों के अनुरूप दो मोनोएनर्जेटिक लाइनों के एक सम्मिश्र (composite) के रूप में मॉडल किया गया है, जिन्हें उनके संक्रमण प्रायिकताओं द्वारा भारित (weighted) किया गया है। ऐसे जटिल, मल्टी-इलेक्ट्रॉन कैस्केड के प्रति डिटेक्टर की प्रतिक्रिया को मान्य करने के लिए, लेखकों ने $^{37}\text{Ar}$ के इलेक्ट्रॉन कैप्चर क्षय (विशेष रूप से 2.829 keV की K-शेल लाइन) को एक बेंचमार्क के रूप में उपयोग किया। एक "टोटल-एनर्जी" दृष्टिकोण का उपयोग करना, जो कैस्केड ऊर्जा रिलीज को एक एकल इंटरेक्शन पॉइंट के रूप में मानता है, स्वतंत्र-इलेक्ट्रॉन सिमुलेशन की तुलना में देखे गए $^{37}\text{Ar}$ स्पेक्ट्रम को बेहतर ढंग से पुनरुत्पादित करता है। इस मान्य दृष्टिकोण को $^{36}\text{Ar}$ सिग्नल मॉडल पर लागू किया गया।
सांख्यिकीय विश्लेषण: RooFit/HistFactory पैकेज का उपयोग करके एक बिन्ड प्रोफाइल लाइकलीहुड फिट (binned profile likelihood fit) किया गया। इसमें बैकग्राउंड नॉर्मलाइजेशन और शेप के लिए न्युसेंस पैरामीटर्स (जैसे $^{39}\text{Ar}$ और $^{85}\text{Kr}$ क्षय, और बाहरी गामा/एक्स-रे बैकग्राउंड) और सिग्नल मॉडलिंग से संबंधित व्यवस्थित अनिश्चितताएं शामिल थीं।

मुख्य परिणाम

अवलोकन: रुचि के क्षेत्र में अपेक्षित बैकग्राउंड से कोई सांख्यिकीय रूप से महत्वपूर्ण अतिरिक्त घटना (excess events) नहीं देखी गई।
घटनाओं की ऊपरी सीमा: घटनाओं की संख्या के लिए 90% विश्वास स्तर (C.L.) ऊपरी सीमा $N_{2EC_{2\nu}} < 278$ है।
अर्ध-आयु सीमा: मापे गए एक्सपोजर, $^{36}\text{Ar}$ की आइसोटोपिक प्रचुरता और आर्गन के मोलर मास का उपयोग करते हुए, लेखकों ने $^{36}\text{Ar}$ में टू-न्यूट्रिनो डबल इलेक्ट्रॉन कैप्चर की अर्ध-आयु के लिए एक निचली सीमा निर्धारित की:
$T_{1/2}^{2EC_{2\nu}} > 9.2 \times 10^{19} \text{ वर्ष} \quad (90\% \text{ C.L.})$
सिस्टमेटिक्स: $^{36}\text{Ar}$ प्रचुरता ( $\pm 1.8\%$ ) और ऊर्जा स्केल मॉडलिंग पर व्यवस्थित अनिश्चितता को अंतिम सीमा पर नगण्य प्रभाव डालने वाला पाया गया।

महत्व और दावे
यह शोध पत्र इस कार्य को $^{36}\text{Ar}$ में टू-न्यूट्रिनो डबल इलेक्ट्रॉन कैप्चर के लिए प्रथम प्रयोगात्मक खोज के रूप में दावा करता है। हालांकि स्थापित सीमा ( $9.2 \times 10^{19}$ वर्ष) सैद्धांतिक भविष्यवाणी ( $1.7 \times 10^{29}$ वर्ष) से कई गुना कम है, फिर भी यह परिणाम इस विशिष्ट आइसोटोप के लिए पहला अनुभवजन्य प्रतिबंध (empirical constraint) प्रदान करता है।

लेखक इस बात पर जोर देते हैं कि XENON1T द्वारा $^{124}\text{Xe}$ में $2EC_{2\nu}$ का सफल अवलोकन उन सैद्धांतिक मॉडलों (जैसे QRPA और शेल मॉडल) को मान्य करता है जिनका उपयोग NME की गणना के लिए किया जाता है। फलस्वरूप, $^{36}\text{Ar}$ में सिग्नल की कमी वर्तमान संवेदनशीलता पर इन मॉडलों के अनुरूप है। यह शोध पत्र यह तर्क देता है कि भविष्य के प्रयोगों द्वारा $^{36}\text{Ar}$ में $2EC_{2\nu}$ का कोई भी सकारात्मक पता लगाना अत्यधिक महत्वपूर्ण होगा, जो संभावित रूप से इस विशिष्ट आइसोटोप के लिए परमाणु मॉडलों के टूटने या नई भौतिकी की उपस्थिति का संकेत दे सकता है।

भविष्य के अनुमान
यह शोध पत्र आगामी डार्कसाइड-20k प्रयोग की अनुमानित संवेदनशीलता का मूल्यांकन करता है। $\sim34$ टन UAr के फिड्यूशियल मास (जो डार्कसाइड-50 से $\sim1000\times$ अधिक है), बेहतर रेडियोप्यूरिटी (SiPMs और PMMA दीवारों का उपयोग करके), और उन्नत बैकग्राउंड सप्रेशन (विशेष रूप से $^{85}\text{Kr}$ निष्कासन) के साथ, संवेदनशीलता 10 साल के रन में $\sim100$ गुना सुधारने की उम्मीद है। यह डार्कसाइड-20k को $\sim 10^{22}$ वर्षों तक की अर्ध-आयुओं की जांच करने में सक्षम बनाएगा, जिससे इसकी प्रयोगात्मक पहुंच सैद्धांतिक भविष्यवाणियों के करीब आ जाएगी।

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