First Measurement of Solar Neutrinos through Elastic Neutrino-Electron Scattering at the keV Scale
XENONnT प्रयोग के 2.46 टन-वर्ष के डेटा का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने लो-एनर्जी सौर न्यूट्रिनो का इलास्टिक न्यूट्रिनो-इलेक्ट्रॉन स्कैटरिंग के माध्यम से 5.0σ सार्थकता के साथ पहला पता लगाया है, जिसने न्यूट्रिनो डिटेक्शन में सबसे कम ऊर्जा थ्रेशोल्ड का एक नया रिकॉर्ड स्थापित किया है और पिछले Borexino परिणामों के अनुरूप pp न्यूट्रिनो फ्लक्स को मापा है।
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पृथ्वी की गहराई में, चट्टानों के एक पहाड़ से सुरक्षित, वैज्ञानिक दशकों से ब्रह्मांड की सबसे हल्की फुसफुसाहटों को सुनने में लगे हुए हैं। उनका प्राथमिक लक्ष्य डार्क मैटर (dark matter) को खोजना रहा है, जो एक अदृश्य पदार्थ है जो ब्रह्मांड के अधिकांश द्रव्यमान का निर्माण करता है लेकिन साधारण प्रकाश या पदार्थ के साथ परस्पर क्रिया करने से इनकार करता है। ऐसा करने के लिए, उन्होंने लिक्विड जेनन (liquid xenon) से भरे विशाल टैंक बनाए, जो एक भारी, उत्कृष्ट गैस है जो किसी कण के टकराने पर चमक उठती है। इन मायावी डार्क मैटर कणों की प्रतीक्षा करते समय, ये डिटेक्टर इतने संवेदनशील होते हैं कि वे अन्य सूक्ष्म कणों की निरंतर वर्षा को भी पकड़ लेते हैं: न्यूट्रिनो (neutrinos)। ये रहस्यमयी कण सूर्य के हृदय में स्थित परमाणु ज्वालाओं से जन्म लेते हैं और हर सेकंड खरबों की संख्या में पृथ्वी के माध्यम से प्रवाहित होते हैं, ठोस चट्टानों और मानव शरीरों से बिना किसी निशान के गुजर जाते हैं। लंबे समय तक, इन सौर न्यूट्रिनों को पकड़ने के लिए तरल या पानी के हजारों टन भरे हुए विशाल डिटेक्टरों की आवश्यकता होती थी, क्योंकि ये कण बहुत कम बार परस्पर क्रिया करते हैं। हालांकि, प्रयोगों की एक नई पीढ़ी ने दिखाना शुरू कर दिया है कि डार्क मैटर की खोज के लिए बनाए गए वही अति-संवेदनशील टैंक इन सौर संदेशवाहकों के लिए शक्तिशाली दूरबीन के रूप में भी काम कर सकते हैं, जो सूर्य की गतिविधि के निम्नतम ऊर्जा स्तरों में एक खिड़की खोलते हैं।
जेनोन सहयोग (XENON Collaboration) नामक शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक डार्क मैटर प्रयोग का उपयोग करके इन निम्न-ऊर्जा वाले सौर न्यूट्रिनों के पहले सफल मापन की सूचना दी है। इटली में गहराई में स्थित XENONnT डिटेक्टर से दो वर्षों में एकत्र किए गए डेटा का विश्लेषण करके, उन्होंने लिक्विड जेनन में इलेक्ट्रॉनों से टकराते न्यूट्रिनों का पता लगाया है। यह उपलब्धि महत्वपूर्ण है क्योंकि यह उस सीमा को आगे बढ़ाती है जिसे हम देख सकते हैं, जो न्यूट्रिनो पहचान के लिए पहले से कहीं कम ऊर्जा, यानी 17 किलोइलेक्ट्रॉनवोल्ट (kiloelectronvolts) तक पहुँचती है। शोधकर्ताओं ने एक स्पष्ट संकेत देखा जिसे बैकग्राउंड शोर या यादृच्छिक त्रुटियों द्वारा समझाया नहीं जा सकता था, जिससे इस विचार को खारिज किया गया कि वे केवल सांख्यिकीय निश्चितता के पांच मानक विचलन (five standard deviations) के साथ खाली स्थान देख रहे थे। विश्वास का यह स्तर भौतिकी का स्वर्ण मानक है, जिसका अर्थ है कि परिणाम के संयोग होने की संभावना दस लाख में एक से भी कम है।
प्रयोग ने सौर न्यूट्रिनों के सबसे प्रचुर प्रकार पर ध्यान केंद्रित किया, जिसे "pp" न्यूट्रिनो के रूप में जाना जाता है, जो तब उत्पन्न होते हैं जब दो प्रोटॉन मिलकर सूर्य की ऊर्जा श्रृंखला का पहला चरण बनाते हैं। ये कण सूर्य से आने वाले सभी न्यूट्रिनों का लगभग 90 प्रतिशत हिस्सा बनाते हैं, फिर भी उन्हें पहचानना बहुत कठिन है क्योंकि वे बहुत कम ऊर्जा ले जाते हैं। पिछले डिटेक्टरों को अन्य सौर प्रक्रियाओं से आने वाले दुर्लभ, उच्च-ऊर्जा वाले न्यूट्रिनों को देखने के लिए प्रतीक्षा करनी पड़ती थी। इस अध्ययन में, टीम ने इन निम्न-ऊर्जा वाले pp न्यूट्रिनों के फ्लक्स (flux), या प्रति सेकंड एक विशिष्ट क्षेत्र से गुजरने वाले कणों की संख्या को मापा। उन्होंने लगभग 10.2 x 10^10 न्यूट्रिनो प्रति वर्ग सेंटीमीटर प्रति सेकंड की दर की गणना की। यह संख्या बोरेक्सिनो (Borexino) नामक एक अन्य प्रयोग द्वारा किए गए पिछले मापन से थोड़ी अधिक है, लेकिन दोनों परिणाम सांख्यिकीय अनिश्चितता की सीमा के भीतर एक-दूसरे के अनुरूप हैं। यह सहमति 'स्टैंडर्ड सोलर मॉडल' (Standard Solar Model) के प्रति हमारी समझ को मजबूत करती है, जो उस सैद्धांतिक ढांचे का वर्णन करता है कि सूर्य कैसे चमकता है और विकसित होता है।
इस परिणाम को प्राप्त करने के लिए, टीम को एक कठिन चुनौती का सामना करना पड़ा: सौर न्यूट्रिनों के मंद संकेत को प्राकृतिक रेडियोधर्मिता से उत्पन्न बैकग्राउंड शोर से अलग करना। टैंक में मौजूद लिक्विड जेनन अविश्वसनीय रूप से शुद्ध है, फिर भी इसमें रेडॉन और क्रिप्टन जैसे रेडियोधर्मी तत्वों की सूक्ष्म मात्रा होती है, जो ऐसे कण उत्सर्जित करते हैं जो न्यूट्रिनो सिग्नल की नकल कर सकते हैं। शोधकर्ताओं ने इन अशुद्धियों को हटाने और यह मानचित्रण करने के लिए कि कितना बैकग्राउंड शोर बचा है, वर्षों तक अपनी विधियों को परिष्कृत करने में बिताया। उन्होंने टैंक के भीतर प्रत्येक घटना (event) के स्थान को ट्रैक करने के लिए एक परिष्कृत प्रणाली का उपयोग किया, जिससे उन्हें डिटेक्टर के किनारों से आने वाले संकेतों को अनदेखा करने में मदद मिली जहाँ बैकग्राउंड रेडिएशन अधिक सामान्य है। उन्होंने विशेष अंशांकन (calibrations) भी किए, जिसमें ज्ञात रेडियोधर्मी स्रोतों को सिस्टम में इंजेक्ट किया गया ताकि यह समझा जा सके कि डिटेक्टर विभिन्न प्रकार के कणों के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करता है। इन बैकग्राउंड्स को सावधानीपूर्वक मॉडल करने और कुल डेटा से उन्हें घटाने के बाद, वे सौर न्यूट्रिनों के विशिष्ट हस्ताक्षर को अलग करने में सक्षम हुए।
इस मापन की सफलता इस क्षेत्र के लिए एक महत्वपूर्ण मोड़ है। यह प्रदर्शित करता है कि लिक्विड जेनन डिटेक्टर, जो मूल रूप से डार्क मैटर खोजने के लिए डिज़ाइन किए गए थे, न्यूट्रिनो भौतिकी के keV स्केल पर अध्ययन के लिए भी शक्तिशाली उपकरण हैं। यह क्षमता अन्य दुर्लभ प्रक्रियाओं को देखने और वर्तमान समझ से परे नई भौतिकी की खोज करने की संभावना के द्वार खोलती है। शोधकर्ता कहते हैं कि यह तो बस शुरुआत है; भविष्य के अपग्रेड और बड़े डिटेक्टरों के साथ, संवेदनशीलता में सुधार ही होगा। निम्न ऊर्जाओं पर न्यूट्रिनो को देखने की क्षमता सूर्य के केंद्र में एक सीधा प्रोब (probe) प्रदान करती है, जो हमारे तारे को शक्ति देने वाली परमाणु प्रतिक्रियाओं पर एक नया दृष्टिकोण देती है। जैसे-जैसे टीम डेटा का विश्लेषण करना जारी रखती है, वे एक अगली पीढ़ी के वेधशाला का मार्ग प्रशस्त कर रही हैं जो डार्क मैटर की खोज करने और साथ ही अभूतपूर्व सटीकता के साथ न्यूट्रिनो परिदृश्य का मानचित्रण करने में सक्षम होगी, जिससे एक ऐसी मशीन जो अदृश्य को देखने के लिए बनाई गई थी, हमारे सौर मंडल के हृदय पर एक खिड़की में बदल जाएगी।
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