Disentangling Charged-Current Scalar NSI from the Solar Sector at JUNO

पृथ्वी की गहराइयों में, सूर्य और परमाणु ऊर्जा संयंत्रों से आने वाले प्रेतवाधित कणों की एक शांत नदी बह रही है। ये न्यूट्रिनो हैं, जो ब्रह्मांड के सबसे प्रचुर मात्रा में उपलब्ध पदार्थ कण हैं, फिर भी वे इतने मायावी हैं कि प्रति सेकंड खरबों कण आपके शरीर से गुजर जाते हैं बिना किसी परमाणु को छुए। दशकों से, भौतिकविदों ने अध्ययन किया है कि कैसे ये कण यात्रा करते समय अपनी पहचान बदलते हैं, जिसे दोलन (oscillation) के रूप में जाना जाता है। इस व्यवहार ने हमें सिखाया है कि न्यूट्रिनो में द्रव्यमान होता है और ब्रह्मांड भौतिकी के मानक मॉडल (standard model) के सुझावों की तुलना में थोड़ा अधिक जटिल है। हालाँकि, एक अनसुलझा प्रश्न बना हुआ है: क्या ऐसी कोई छिपी हुई ताकतें या नए प्रकार की अंतःक्रियाएं (interactions) हैं जिन्हें हमने अभी तक नहीं देखा है? यदि ऐसी ताकतें मौजूद हैं, तो वे न्यूट्रिनो के रूपांतरण के तरीके को सूक्ष्म रूप से बदल सकती हैं, जिससे डेटा में एक धुंधला निशान छोड़ सकती है जिसे वर्तमान प्रयोग अब स्पष्ट रूप से पढ़ने के लिए पर्याप्त रूप से देख पा रहे हैं।

जियांगमेन अंडरग्राउंड न्यूट्रिनो ऑब्जर्वेटरी, या JUNO, में तरल का एक विशाल टैंक दक्षिणी चीन में जमीन के नीचे गहराई में स्थित है, जो इन मायावी कणों को पकड़ने की प्रतीक्षा कर रहा है। यह वेधशाला अब तक के सबसे सटीक न्यूट्रिनो डिटेक्टर के रूप में डिज़ाइन की गई है, जो आने वाले कणों की ऊर्जा को असाधारण सटीकता के साथ मापने में सक्षम है। हाल ही में एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने JUNO के डेटा का उपयोग करके एक विशिष्ट, विलक्षण संभावना की खोज की: एक नए प्रकार की अंतःक्रिया जिसे 'चार्ज्ड-करंट स्केलर नॉन-स्टैंडर्ड इंटरैक्शन' कहा जाता है। सरल शब्दों में, यह एक काल्पनिक बल है जो न्यूट्रिनो को पदार्थ के साथ उस तरह से अंतःक्रिया करने की अनुमति देगा जैसा कि वर्तमान भौतिकी के नियम भविष्यवाणी नहीं करते हैं। उन मानक अंतःक्रियाओं के विपरीत जिनसे न्यूट्रिनो परिचित हैं, यह नया बल एक 'स्केलर फील्ड' की तरह कार्य करेगा, जो एक ऐसा प्रभाव है जो दिशा या स्पिन पर निर्भर नहीं करता, बल्कि अंतःक्रिया की तीव्रता पर निर्भर करता है। शोधकर्ता जानना चाहते थे कि क्या यह नया बल डेटा में छिपा हुआ है, जो न्यूट्रिनो के एक ज्ञात गुण के रूप में छद्म वेश धारण किए हुए है।

टीम ने एंटीन्यूट्रिनो पर ध्यान केंद्रित किया, जो न्यूट्रینو के प्रतिद्रव्य (antimatter) समकक्ष हैं, जो पास के परमाणु रिएक्टरों द्वारा भारी मात्रा में उत्पन्न होते हैं। जैसे ही ये कण डिटेक्टर तक यात्रा करते हैं, वे विभिन्न प्रकारों के बीच बदलते (oscillate) रहते हैं। शोधकर्ताओं ने इस यात्रा का एक विस्तृत कंप्यूटर मॉडल बनाया, जिसमें इस संभावना को शामिल किया गया कि नया स्केलर बल मौजूद हो सकता है। उन्होंने पाया कि यदि यह बल मौजूद होता, तो यह केवल माप में एक छोटी सी त्रुटि नहीं जोड़ता; बल्कि यह ऊर्जा स्पेक्ट्रम के आकार को मौलिक रूप से बदल देता—अर्थात, अलग-अलग ऊर्जा स्तरों पर कितने कण पहुँचते हैं, उसके पैटर्न को बदल देता। विशेष रूप से, यह नया बल ऐसे विरूपण (distortions) पैदा करता जो 'मिक्सिंग एंगल' (एक मौलिक संख्या जो यह बताती है कि न्यूट्रिनो आपस में कितनी मजबूती से मिश्रित होते हैं) में परिवर्तन के बहुत समान दिखते। इस समानता ने एक भ्रम, या 'डिजेनेरेसी' (degeneracy) पैदा की, जहाँ डेटा को या तो एक विशिष्ट मिक्सिंग एंगल वाले मानक न्यूट्रिनो द्वारा या इस नए बल के साथ अंतःक्रिया करने वाले न्यूट्रिनो द्वारा समझाया जा सकता था।

इस भ्रम को सुलझाने के लिए, शोधकर्ताओं ने JUNO द्वारा एकत्र किए गए डेटा के दो सेटों का विश्लेषण किया: संचालन के 59.1 दिनों का एक प्रारंभिक सेट और 207.2 दिनों का एक बड़ा, प्रारंभिक सेट। उन्होंने वास्तविक डेटा की तुलना अपने सिमुलेशन से की, और उन विशिष्ट स्पेक्ट्रल विरूपणों की तलाश की जो नया बल पैदा करता। परिणाम बताने वाले थे। दोनों समय अवधियों का डेटा न्यूट्रिनो दोलन के मानक मॉडल के साथ पूरी तरह से फिट बैठता है, जो नए स्केलर बल का कोई प्रमाण नहीं दिखाता। हालाँकि, इस अध्ययन ने केवल यह कहने से कहीं अधिक किया कि "कुछ नहीं मिला।" इसने इस काल्पनिक अंतःक्रिया की शक्ति पर अब तक की सबसे सख्त सीमाएँ स्थापित कीं। डेटा का विश्लेषण करके, टीम ने निर्धारित किया कि यदि यह नया बल मौजूद है, तो यह अविश्वसनीय रूप से कमजोर होना चाहिए, जो पहले से सोची गई संभावना से कहीं अधिक कमजोर है। उन्होंने गणना की कि इस अंतःक्रिया की शक्ति मयून सेक्टर में मानक कमजोर बल के लगभग 1.4 गुना से कम और टॉ (tau) सेक्टर में 1.1 गुना से कम है, जो प्रारंभिक डेटा पर आधारित है। बड़े डेटासेट के साथ, ये सीमाएँ काफी सख्त हो गईं, जिससे अंतःक्रिया की संभावित शक्ति म्यूऑन सेक्टर में मानक बल के 0.8 और टॉ सेक्टर में 0.9 गुना से कम हो गई।

शायद इस कार्य की सबसे महत्वपूर्ण उपलब्धि यह प्रदर्शन करना था कि JUNO एक दशक तक डेटा एकत्र करने की प्रतीक्षा किए बिना मानक मॉडल और इस नई भौतिकी के बीच अंतर कर सकता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि केवल एक वर्ष के डेटा संग्रह के साथ इस नए बल और मानक मिक्सिंग एंगल के बीच के भ्रम को दूर किया जा सकता है। यह एक महत्वपूर्ण कदम है क्योंकि यह सिद्ध करता है कि प्रयोग इन प्रभावों को अलग करने के लिए पर्याप्त संवेदनशील है, एक ऐसा कार्य जिसे पहले बहुत बड़े डेटासेट या अलग प्रायोगिक सेटअप की आवश्यकता मानी जाती थी। अध्ययन ने एक तकनीकी बारीकी पर भी प्रकाश डाला: इस नए बल का प्रभाव मानक व्यवहार में एक साधारण, सीधी रेखा वाला जोड़ नहीं है। इसके बजाय, इसमें जटिल पद (terms) शामिल हैं जो अंतःक्रिया की शक्ति के वर्ग के साथ बढ़ते हैं। इसका अर्थ यह है कि अंतःक्रिया को नोटिस करने के लिए पर्याप्त मजबूत होने के लिए, इसे अपेक्षाकृत बड़ा होना चाहिए, लेकिन डेटा दिखाता है कि यह नहीं है। फलस्वरूप, शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि 'क्वाड्रेटिक टर्म्स' (quadratic terms), जिन्हें पिछले अध्ययनों में अक्सर अनदेखा किया जाता था, डेटा की सही व्याख्या करने और इन विलक्षण परिदृश्यों को खारिज करने के लिए आवश्यक हैं।

आगे देखते हुए, शोधकर्ताओं ने अनुमान लगाया कि यदि JUNO दस वर्षों तक डेटा एकत्र करना जारी रखता है, तो क्या होगा। उस परिदृश्य में, इस नए बल के प्रति संवेदनशीलता दस गुना से अधिक सुधर जाएगी, जिससे सीमाएँ मानक कमजोर बल की शक्ति के कुछ सौवें हिस्से तक नीचे चली जाएंगी। यह उस संभावना को प्रभावी रूप से खारिज कर देगा कि अंतःक्रिया इतनी मजबूत हो सकती है कि वह कुछ शुरुआती सैद्धांतिक मॉडलों में देखे गए बड़े विरूपणों का कारण बने। अध्ययन पुष्टि करता है कि न्यूट्रिनो दोलन की वर्तमान समझ, जो मानक मॉडल पर आधारित है, सुदृढ़ बनी हुई है। जबकि नए भौतिकी की खोज जारी है, JUNO से बहने वाली न्यूट्रिनो की प्रेतवाधित नदी ने, फिलहाल, निरंतरता की कहानी सुनाई है। डेटा बताता है कि यदि यह नया स्केलर बल मौजूद है, तो यह परछाइयों में छिपा हुआ है, जो न्यूट्रिनो के दोलन के नाजुक नृत्य को बाधित करने के लिए बहुत कमजोर है जिसे JUNO इतनी सटीकता के साथ देखता है।