SN1987A constraints on the neutrino-dark-fermion interaction from resonant scattering with C$\nu$B

न्यूट्रिनो ब्रह्मांड के रहस्यमयी कण हैं, जिनका खरबों की संख्या में कण हर सेकंड आपके शरीर से गुजरते हैं, लेकिन वे कभी भी एक भी परमाणु को स्पर्श नहीं करते। वे इतने हल्के और इतने शर्मीले हैं कि दशकों तक वे ब्रह्मांडीय पहेली के सबसे रहस्यमय हिस्सों में से एक बने रहे। हालांकि हम जानते हैं कि वे मौजूद हैं, लेकिन हम पूरी तरह से नहीं समझते कि उन्हें अपना सूक्ष्म द्रव्यमान कैसे प्राप्त होता है या क्या वे एक-दूसरे के साथ उन तरीकों से परस्पर क्रिया करते हैं जिन्हें हम अभी तक देख नहीं पा रहे हैं। यह अनिश्चितता हमारी ब्रह्मांड की समझ में एक कमी छोड़ देती है, विशेष रूप से इस संबंध में कि ब्रह्मांड जिस दर से फैल रहा है वह क्यों है और पदार्थ ने आकाशगंगाओं के निर्माण के लिए कैसे समूह बनाया। इसे हल करने के लिए, भौतिकविदों ने प्रस्तावित किया है कि न्यूट्रिनो एक नए, अदृश्य बल के माध्यम से एक-दूसरे से बात कर सकते हैं जो एक हल्के कण द्वारा ले जाया जाता है, या शायद वे डार्क मैटर के एक प्रकार में भी बदल सकते हैं जिसे हम सीधे तौर पर नहीं पहचान सकते। यदि ऐसे संपर्क मौजूद हैं, तो वे ब्रह्मांड के पार यात्रा करने वाले न्यूट्रिनो पर एक सूक्ष्म छाप छोड़ेंगे, जिससे संभावित रूप से हमारे डिटेक्टरों तक पहुँचने वाले कणों की संख्या बदल जाएगी।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन विचारों का परीक्षण करने के लिए एक ऐतिहासिक ब्रह्मांडीय घटना का उपयोग किया है, जिसमें वे यह देख रहे हैं कि क्या न्यूट्रिनो बिग बैंग से बचे प्राचीन, अदृश्य कणों के समुद्र के साथ परस्पर क्रिया कर रहे हैं। यह प्राचीन समुद्र, जिसे कॉस्मिक न्यूट्रिनो बैकग्राउंड कहा जाता है, हर जगह मौजूद है, ठीक वैसे ही जैसे कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड प्रकाश के साथ ब्रह्मांड को भर देता है, लेकिन इसे कभी भी प्रत्यक्ष रूप से देखा नहीं गया है। शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट घटना पर ध्यान केंद्रित किया: 1987 में एक नजदीकी आकाशगंगा में एक विशाल तारे का विस्फोट हुआ था, जिसने पृथ्वी की ओर न्यूट्रिनों का एक समूह भेजा था। उस विस्फोट के डेटा का विश्लेषण करके, उन्होंने एक सरल प्रश्न पूछा: क्या न्यूट्रिनो उसी संख्या और ऊर्जा के साथ पहुंचे जिसकी हमें अपेक्षा थी, या उनमें से कुछ रास्ते में ही गायब हो गए? उनकी जांच से पता चलता है कि उत्तर इस बात पर बहुत अधिक निर्भर करता है कि हम विस्फोट का मॉडल कैसे तैयार करते हैं और न्यूट्रिनो अपनी यात्रा के दौरान अपनी पहचान कैसे बदलते हैं।

यह अध्ययन एक ऐसी स्थिति पर केंद्रित है जहाँ विस्फोटित तारे से निकलने वाला एक न्यूट्रिनो बिग बैंग से निकले प्राचीन, धीमी गति वाले न्यूट्रिनो में से एक से टकराता है। यदि इस टकराव की ऊर्जा बिल्कुल सही है, तो दोनों कण मिलकर एक अल्पकालिक, अदृश्य कण बना सकते हैं जो तुरंत डार्क मैटर में बदल जाता है। यह प्रक्रिया एक ब्रह्मांडीय फिल्टर की तरह कार्य करती है, जो पृथ्वी तक पहुँचने से पहले न्यूट्रिनों की धारा से कुछ को हटा देती है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि इस तरह से कितने न्यूट्रिनो खो जाएंगे और उन भविष्यवाणियों की तुलना 1987 में दर्ज किए गए वास्तविक डेटा से की। उन्होंने पाया कि इस यात्रा में जीवित बचे न्यूट्रिनों की संख्या दो मुख्य कारकों पर निर्भर करती है: विस्फोट के विशिष्ट तरीके और उस बल की प्रकृति जो न्यूट्रिनो को जोड़ता है।

इस परीक्षण के लिए, टीम ने विस्फोट का वर्णन करने के लिए दो अलग-अलग मॉडलों का उपयोग किया। पहला मॉडल एक सरलीकृत, गणितीय विवरण है जो यह मानता है कि विस्फोट दो अलग-अलग चरणों में होता है, जिसमें ऊर्जा का एक संक्षिप्त, चमकीला विस्फोट होता है और उसके बाद शीतलन (कूलिंग) का एक लंबा चरण होता है। दूसरा मॉडल एक जटिल कंप्यूटर सिमुलेशन है जो एक ढहते हुए तारे के भौतिकी को विस्तार से पुन: निर्मित करता है, जो दिखाता है कि विभिन्न प्रकार के न्यूट्रिनो अलग-अलग समय पर कैसे उत्पन्न होते हैं। जब उन्होंने अपने अदृश्य अंतःक्रियाओं के सिद्धांत को इन मॉडलों पर लागू किया, तो उन्हें एक महत्वपूर्ण अंतर का पता चला। सरलीकृत मॉडल में, गायब होने वाले न्यूट्रिन अधिकांशतः वे थे जो इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो के रूप में शुरू हुए थे, और 1987 के डेटा ने शोधकर्ताओं को यह निर्धारित करने की अनुमति दी कि अदृश्य बल कितना मजबूत हो सकता है। हालांकि, विस्तृत सिमुलेशन में कहानी बदल गई। उस सिमुलेशन ने भविष्यवाणी की कि विस्फोट के बहुत शुरुआती चरण में भारी, गैर-इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनों का एक बड़ा हिस्सा उत्पन्न होता है। क्योंकि ये भारी न्यूट्रिन अदृश्य बल के साथ अलग तरह से व्यवहार करते हैं, वे आसानी से गायब नहीं होते हैं। वे पृथ्वी पर पहुँचते हैं और उन रिक्तियों को भर देते हैं जो इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनों के गायब होने से बनी थीं, जिससे अदृश्य अंतःक्रिया के संकेत को प्रभावी ढंग से छिपा दिया जाता है।

इस निष्कर्ष का अर्थ है कि वैज्ञानिक इन नई अंतःक्रियाओं पर जो सीमाएं लगा सकते हैं वे पूर्ण नहीं हैं; वे पूरी तरह से इस पर निर्भर करती हैं कि विस्फोट का कौन सा मॉडल सही है। यदि विस्तृत सिमुलेशन सही है, तो 1987 का डेटा इन अंतःक्रियाओं को खारिज करने के लिए पर्याप्त संवेदनशील नहीं है, क्योंकि "गायब" हुए न्यूट्रिनों को अन्य न्यूट्रिनों द्वारा प्रतिस्थापित कर दिया गया था जो बिल्कुल वैसे ही दिखते थे जैसे कि हम उम्मीद कर रहे थे। शोधकर्ताओं ने दो अलग-अलग प्रकार के अदृश्य बलों का भी परीक्षण किया। एक प्रकार सभी न्यूट्रिनों को समान रूप से प्रभावित करता है, जबकि दूसरा भारी न्यूट्रिनों को अधिक मजबूती से प्रभावित करता है। उन्होंने पाया कि यदि बल भारी न्यूट्रिनों के लिए अधिक मजबूत है, तो विस्तृत सिमुलेशन वास्तव में गायब कणों का एक स्पष्ट संकेत दिखाता है, क्योंकि पृथ्वी पर पहुँचने वाले भारी न्यूट्रिन ही वे हैं जिन्हें सबसे अधिक फ़िल्टर किया जाता है। इस विशिष्ट मामले में, 1987 का डेटा एक सार्थक सीमा प्रदान करता है, लेकिन केवल इसलिए क्योंकि भारी न्यूट्रिनों को हटाया जा रहा है।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि 1987 में पता लगाए गए न्यूट्रिनों की सीमित संख्या के साथ, यह जानना कि तारा वास्तव में कैसे फटा और न्यूट्रिनों ने अपनी यात्रा के दौरान अपनी पहचान कैसे बदली, इन अदृश्य अंतःक्रियाओं के बारे में एक एकल, निश्चित निष्कर्ष निकालना असंभव है। डेटा की कम मात्रा एक धुंधली तस्वीर की तरह काम करती है; इस पर निर्भर करता है कि आप पृष्ठभूमि की व्याख्या कैसे करते हैं, विषय अलग दिखता है। हालाँकि, शोधकर्ता भविष्य को लेकर आशावादी हैं। उन्होंने गणना की कि यदि आज हमारी अपनी आकाशगंगा में ऐसा ही विस्फोट होता है, तो हाइपर-कामिकाके (Hyper-Kamiokande) नामक अगली पीढ़ी का डिटेक्टर केवल कुछ दर्जनों के बजाय हजारों न्यूट्रिनों को पकड़ने में सक्षम होगा। इतने अधिक डेटा के साथ, धुंधलापन दूर हो जाएगा। डिटेक्टर न्यूट्रिनो की धारा में सूक्ष्म अंतर को स्पष्ट रूप से देखने में सक्षम होगा ताकि यह निर्धारित किया जा सके कि क्या ये अदृश्य अंतःक्रियाएं मौजूद हैं, चाहे विस्फोट का कोई भी मॉडल सही क्यों न हो। यह भविष्य का अवलोकन अंततः वैज्ञानिकों को इस विशिष्ट प्रकार की नई भौतिकी का दरवाजा बंद करने या, अधिक रोमांचक रूप से, ब्रह्मांड के एक छिपे हुए क्षेत्र की खिड़की खोलने की अनुमति देगा जो अब तक अदृश्य रहा है।