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Exothermic dark matter and the 248 keV nuclear recoil in LUX-ZEPLIN

यह शोध पत्र प्रस्तावित करता है कि लक्स-ज़ेप्लिन (LUX-ZEPLIN) प्रयोग द्वारा देखी गई एकल 248-keV परमाणु पुनः प्रकीर्णन (nuclear recoil) घटना को लगभग -350 keV के विभाजन वाले एक छद्म-डायराक (pseudo-Dirac) उत्तेजित अवस्था से ऊष्माक्षेपी (exothermic) डार्क मैटर डाउनस्कैटरिंग द्वारा समझाया जा सकता है, जो एक ऐसा मॉडल है जो स्वाभाविक रूप से इस घटना की ऊर्जा की व्याख्या करता है, मानक खोज बाधाओं से बचता है, और आर्गन-आधारित डिटेक्टरों में एक विशिष्ट संकेत की भविष्यवाणी करता है जो इसे एंडोथर्मिक (endothermic) व्याख्याओं से निश्चित रूप से अलग करेगा।

मूल लेखक: Howard Baer, Vernon Barger

प्रकाशित 2026-09-09

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Howard Baer, Vernon Barger

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

पृथ्वी के बहुत नीचे, अंतरिक्ष से भी अधिक ठंडे तरल ज़ेनॉन (xenon) के एक टैंक में, वैज्ञानिक ब्रह्मांड के सबसे प्रचुर रहस्य की सबसे हल्की फुसफुसाहट सुनने की कोशिश कर रहे हैं: डार्क मैटर (dark matter)। यह अदृश्य पदार्थ ब्रह्मांड के अधिकांश द्रव्यमान का निर्माण करता है, फिर भी यह प्रकाश या साधारण परमाणुओं के साथ उस तरह से परस्पर क्रिया करने से इनकार करता है जिसे हम आसानी से पहचान सकें। दशकों से, प्रमुख सिद्धांत यह रहा है कि डार्क मैटर भारी, धीमी गति से चलने वाले कणों से बना है जो कभी-कभी परमाणु नाभिकों (atomic nuclei) से टकराते हैं, जिससे ऊर्जा की एक सूक्ष्म मात्रा स्थानांतरित होती है। हालाँकि, LUX-ZEPLIN प्रयोग के नवीनतम डेटा ने एक एकल, पहेलीनुमा घटना दर्ज की है जो इस मानक चित्र में फिट नहीं बैठती है। एक कोमल धक्के के बजाय, डिटेक्टर ने एक नाभिक को 248 keV की ऊर्जा के साथ पीछे हटने (recoil) के रूप में रिकॉर्ड किया, जो एक विशिष्ट टक्कर के लिए बहुत अधिक मान है और जो एक बहुत अधिक जटिल अंतःक्रिया का सुझाव देता है। इस विसंगति ने जांच की एक नई दिशा को जन्म दिया है, जो शोधकर्ताओं को डार्क सेक्टर की मौलिक प्रकृति और उन नियमों पर पुनर्विचार करने के लिए चुनौती देती है जो यह निर्धारित करते हैं कि ये अदृश्य कण दृश्य दुनिया से मिलने पर कैसे व्यवहार कर सकते हैं।

भौतिकविदों की एक टीम ने इस एकल घटना के लिए एक नया स्पष्टीकरण प्रस्तावित किया है, जिसमें सुझाव दिया गया है कि शामिल डार्क मैटर कण एक सरल, स्थिर वस्तु नहीं है, बल्कि दो अलग-अलग ऊर्जा अवस्थाओं वाले एक जोड़े का हिस्सा है। इस परिदृश्य में, हमारी आकाशगंगा के चारों ओर स्थित हेलो (halo) बनाने वाला डार्क मैटर कण अपने निम्नतम ऊर्जा स्तर में नहीं है, बल्कि अपने एक उत्तेजित (excited), भारी संस्करण में है। जब यह उत्तेजित कण डिटेक्टर में एक ज़ेनॉन परमाणु से टकराता है, तो यह केवल टकराकर वापस नहीं आता; बल्कि यह अपने निचले, हल्के स्तर पर आ जाता है। ऐसा करते समय, यह उस अतिरिक्त ऊर्जा को छोड़ देता है जिसे इसने वहन किया था, जो फिर ज़ेनॉन नाभिक को स्थानांतरित हो जाती है, जिससे वह विशिष्ट, उच्च ऊर्जा के साथ पीछे हटता है, जैसा कि देखा गया था। इस प्रक्रिया को 'डाउनस्कैटरिंग' (downscattering) कहा जाता है, और यह सामान्य उम्मीदों के विपरीत काम करती है कि डार्क मैटर की अंतःक्रियाएं कैसे होनी चाहिए।

इस विचार का महत्व इस तथ्य में निहित है कि यह उस प्रमुख समस्या को हल करता है जिसने इस घटना की व्याख्या करने के पिछले प्रयासों को परेशान किया था। शुरुआती सिद्धांतों ने सुझाव दिया था कि डार्क मैटर कण को एक भारी अवस्था में जाने के लिए ऊर्जा को अवशोषित करना होगा, जिसे 'अपस्कैटरिंग' (upscattering) कहा जाता है। ऐसा होने के लिए, डार्क मैटर कण को अविश्वसनीय रूप से तेज़ गति से चलना होगा, जो आकाशगंगा के गुरुत्वाकर्षण द्वारा अनुमति दी गई गति की सीमा के बिल्कुल करीब है। इससे अनुमानित घटनाओं की संख्या, हमारे पड़ोस में डार्क मैटर कितनी तेज़ी से चलता है, इसके अनिश्चित विवरणों के प्रति अत्यंत संवेदनशील हो गई; आकाशगंगा की गति के किनारे के बारे में मानी गई गति में एक मामूली बदलाव भी अनुमानित घटनाओं की संख्या को शून्य से सैकड़ों तक बदल सकता था। नया डाउनस्कैटरिंग मॉडल इस नाजुकता को पूरी तरह से समाप्त कर देता है। क्योंकि कण ऊर्जा को अवशोषित करने के बजाय उसे छोड़ रहा है, इसलिए टक्कर के लिए किसी न्यूनतम गति की आवश्यकता नहीं है। परिणाम एक स्थिर और विश्वसनीय भविष्यवाणी है, जो एक प्रतिशत से भी कम बदलती है, भले ही हमारे पड़ोस की गति की सीमाओं के बारे में हमारी समझ महत्वपूर्ण रूप से बदल जाए।

यह स्थिरता शोधकर्ताओं को एक स्पष्ट, परीक्षण योग्य भविष्यवाणी करने की अनुमति देती है जो उनके विचार को पुराने सिद्धांतों से अलग करती है। यदि यह घटना एक कण के निम्न ऊर्जा स्तर पर गिरने के कारण हुई थी, तो यही प्रक्रिया आर्गन (argon) से भरे डिटेक्टरों में भी होनी चाहिए, जो ज़ेनॉन की तुलना में एक हल्का तत्व है। वास्तव में, मॉडल भविष्यवाणी करता है कि एक आर्गन डिटेक्टर संचालन के प्रत्येक वर्ष के लिए चार और छह समान घटनाओं को देखेगा। इसके विपरीत, पुराने सिद्धांत, जो इस बात पर निर्भर करते हैं कि कण को ऊर्जा अवशोषित करने के लिए अत्यधिक गति की आवश्यकता है, भविष्यवाणी करते हैं कि आर्गन में ऐसी कोई घटना कभी नहीं देखी जाएगी, क्योंकि आवश्यक गति उस अधिकतम गति से अधिक होगी जो हमारे de la galaxy में किसी भी डार्क मैटर कण की संभवतः हो सकती है। यह प्रश्न को सुलझाने का एक निश्चित तरीका बनाता है: यदि भविष्य के प्रयोगों में आर्गन में ये घटनाएं दिखाई देती हैं, तो डाउनस्क meskipun मॉडल समर्थित होता है; यदि वे कुछ भी नहीं देखते हैं, तो इस विचार को खारिज कर दिया जाता है।

शोधकर्ताओं को यह भी सुनिश्चित करना था कि यह परिदृश्य ब्रह्मांड के जीवनकाल में भौतिक रूप से संभव है। उत्तेजित डार्क मैटर कणों के आज भी अस्तित्व में रहने के लिए, उन्हें अन्य कणों में क्षय (decay) होने से बचने के लिए अरबों वर्षों तक जीवित रहने के लिए पर्याप्त स्थिर होना चाहिए। अध्ययन से पता चलता है कि यह तभी संभव है जब दो अवस्थाओं के बीच ऊर्जा का अंतर इतना छोटा हो कि कुछ तीव्र क्षय को रोका जा सके, जो बदले में डार्क मैटर के द्रव्यमान पर एक निचली सीमा निर्धारित करता है। इसके अलावा, अंतःक्रिया को प्रकृति के मानक बलों, जैसे कि कमजोर परमाणु बल (weak nuclear force) द्वारा संचालित नहीं किया जा सकता है, क्योंकि वह बहुत अधिक घटनाएं उत्पन्न करेगा। इसके बजाय, टक्कर को एक नए, छिपे हुए बल वाहक (force carrier) द्वारा मध्यस्थता की जानी चाहिए जो डार्क सेक्टर को हमारे अपने सेक्टर से जोड़ता है, लेकिन इतनी कम शक्ति के साथ कि वह अब तक पता लगाने से बच गया है।

इन कणों के समय के साथ विकास की जटिल गणितीय गणनाओं पर काम करते हुए, टीम यह गणना करने में सक्षम थी कि उत्तेजित अवस्था बनाम ग्राउंड स्टेट (ground state) में कितने डार्क मैटर कण होने चाहिए। उन्होंने पाया कि आकाशगंगा में अधिकांश डार्क मैटर वास्तव में निचले, स्थिर स्तर में है, जिसमें केवल एक बहुत छोटा अंश उत्तेजित अवस्था में बचा हुआ है। यह छोटा अंश एक एकल घटना उत्पन्न करने के लिए पर्याप्त है जिसे LUX-ZEPLIN प्रयोग द्वारा देखा गया है, बशर्ते कि अंतःक्रिया की शक्ति एक विशिष्ट, बहुत कमजोर मान के लिए ट्यून की गई हो। यह गणना यह भी प्रकट करती है कि ग्राउंड-स्टेट कण, जो डार्क मैटर का मुख्य हिस्सा बनाते हैं, अभी भी डिटेक्टर के साथ अंतःक्रिया कर सकते हैं, लेकिन वे ऐसा ऊर्जा को अवशोषित करके करेंगे। महत्वपूर्ण रूप से, देखे गए इवेंट की विशिष्ट ऊर्जा सीमा के लिए, यह ग्राउंड-स्टेट अपस्कैटरिंग तब तक किनेटिकली वर्जित (kinematically forbidden) है जब तक कि अवस्थाओं के बीच ऊर्जा विभाजन बहुत छोटा न हो; यह बाधा प्रभावी रूप से छोटे विभाजन मानों को खारिज करती है और सुनिश्चित करती है कि मॉडल अवलोकन के साथ सुसंगत बना रहे। यह आंतरिक निरंतरता अन्य व्याख्याओं को खारिज करने में मदद करती है और डार्क मैटर की वास्तविक प्रकृति की खोज को सीमित करती है।

पत्र इस निष्कर्ष पर पहुँचता है कि यह एकल घटना, एक सांख्यिकीय संयोग या पूरी तरह से नए भौतिकी के संकेत के बजाय, एक विशिष्ट प्रकार के डार्क मैटर की पहली झलक हो सकती है जो टक्कर होने पर अपनी आंतरिक अवस्था को बदल देता है। यह मॉडल आत्म-सुसंगत है, पिछले सिद्धांतों की अत्यधिक संवेदनशीलता से बचता है, और सत्यापन के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है। अगला कदम वर्तमान डिटेक्टर का बड़ा संस्करण बनाना नहीं है, बल्कि विभिन्न सामग्रियों, विशेष रूप से आर्गन का उपयोग करने वाले प्रयोगों के डेटा को देखना है, यह देखने के लिए कि क्या अनुमानित घटनाएं दिखाई देती हैं। यदि वे दिखाई देती हैं, तो यह पुष्टि करेगा कि डार्क मैटर केवल एक शांत, अदृश्य द्रव्यमान नहीं है, बल्कि एक गतिशील पदार्थ है जो साधारण पदार्थ के साथ मिलने पर अपने मूल स्वभाव को बदलने में सक्षम है।

तकनीकी सारांश: बहिष्ऊष्माक्षेपी डार्क मैटर (Exothermic Dark Matter) और LUX-ZEPLIN में 248 keV का नाभिकीय प्रकीर्णन (Nuclear Recoil)

समस्या विवरण
LUX-ZEPLIN (LZ) प्रयोग ने $248 \pm 23_{\text{stat}} \pm 23_{\text{sys}}$ keV की ऊर्जा वाले एक एकल नाभिकीय-प्रकीर्णन (nuclear-recoil) उम्मीदवार की सूचना दी है। हालांकि यह सांख्यिकीय रूप से बैकग्राउंड के अनुरूप है, लेकिन इसकी उच्च ऊर्जा प्रत्याशित लोचदार (elastic) WIMP प्रकीर्णन क्षेत्र से बहुत ऊपर है और एक अंतोष्मी (inelastic) प्रक्रिया की विशेषता है। मौजूदा व्याख्याएं विशेष रूप से 'अंतोष्मी' (endothermic) हैं, जो यह मानती हैं कि डार्क मैटर एक भारी उत्तेजित अवस्था में जाने के लिए ग्राउंड स्टेट से ऊपर की ओर प्रकीर्णित (upscatters) होता है, जिसमें द्रव्यमान विभाजन $\delta \simeq 320\text{--}360$ keV है। ये मॉडल तीन महत्वपूर्ण समस्याओं का सामना करते हैं:

काइनेटिक ट्यूनिंग (Kinematic Tuning): देखा गया प्रकीर्णन का स्तर काइनेटिक एंडपॉइंट पर स्थित है, जिसके लिए डार्क मैटर की गति को गैलेक्टिक एस्केप स्पीड ( $v_{\text{esc}}$ ) के करीब होना आवश्यक है। फलस्वरूप, घटनाओं की अनुमानित दर हेलो मापदंडों (जैसे, $v_{\text{esc}}$ को 500 से 600 km s $^{-1}$ बदलने से दर में 143 गुना परिवर्तन होता है) के प्रति अत्यंत संवेदनशील है।
मॉडल प्रतिबंध: अंतोष्मी व्याख्याओं के लिए अक्सर विशिष्ट, ट्यून किए गए कण भौतिकी परिदृश्यों (जैसे, $10^7$ GeV के गेविनो द्रव्यमान वाले हिग्सिनो) की आवश्यकता होती है ताकि आवश्यक विभाजन प्राप्त किया जा सके।
सौर सीमाएँ: सौर कैप्चर बाधाओं द्वारा हिग्सिनो की अंतोष्मी व्याख्या को बहिष्कृत किया जाना दिखाया गया है।

कार्यप्रणाली
लेखक एक 'बहिष्ऊष्माक्षेपी' (exothermic) डार्क मैटर मॉडल प्रस्तावित करते हैं जहाँ अवशेष (relic) एक छद्म-डायरा (pseudo-Dirac) युग्म का भारी अवस्था ( $\chi_2$ ) है। देखा गया प्रकीर्णन एक डाउनस्कैटरिंग ट्रांजिशन $\chi_2 A \to \chi_1 A$ है, जो $\delta \simeq -350$ keV ऊर्जा मुक्त करता है। विश्लेषण निम्नलिखित चरणों के माध्यम से आगे बढ़ता है:

काइनेमैटिक्स और फॉर्म फैक्टर्स: लेखक डाउनस्कैटरिंग के लिए थ्रेशोल्ड स्पीड $v_{\text{min}}$ को व्युत्पन्न करते हैं, यह देखते हुए कि एक विशिष्ट प्रकीर्णन ऊर्जा पर यह शून्य हो जाता है, जिससे सभी हेलो कण प्रकीर्णित हो सकते हैं। वे जेनॉन (xenon) के नाभिकीय फॉर्म फैक्टर को शामिल करते हैं, यह ध्यान रखते हुए कि घटना दूसरे विवर्तन लोब (second diffraction lobe) ( $q \approx 246$ MeV) में स्थित है, जो लोचदार सीमाओं की तुलना में क्रॉस-सेक्शन को कम करता है।
दर गणना: मानक विभेदक दर समीकरण का उपयोग करते हुए, वे जेनॉन और आर्गन के लिए इवेंट स्पेक्ट्रा की गणना करते हैं, और LZ के एक्सपोजर (2.84 tonne-year) और दक्षता के विरुद्ध बेंचमार्क करते हैं।
हेलो सैंपलिंग: वे योगदान देने वाले डार्क मैटर कणों के वेग वितरण का विश्लेषण करते हैं, और एक बहिष्ऊष्माक्षेपी मॉडल (जो पूरे हेलो को सैंपल करता है) की तुलना एक अंतोष्मी मॉडल (जो केवल अत्यधिक उच्च-वेग वाली पूंछ को सैंपल करता है) से करते हैं।
तापीय इतिहास और कपल्ड-चैनल डायनेमिक्स: उत्तेजित अवस्था के अंश ( $f_2$ ) को निर्धारित करने के लिए, लेखक डार्क सेक्टर के कपल्ड बोल्ट्ज़मैन समीकरणों को हल करते हैं। वे $\chi_2 \chi_2 \leftrightarrow \chi_1 \chi_1$ रूपांतरण प्रक्रिया को नॉन-परटर्बेटिव तरीके से एक कपल्ड-चैनल फॉर्मलिज्म के माध्यम से हल करते हैं, जो ऑफ-डायगोनल युकावा पोटेंशियल के आइगेन-चैनलों में रोटेट करके $\sigma_0 = (\pi/k^2)\sin^2(\delta_+ - \delta_-)$ के क्रॉस-सेक्शन की गणना करता है। यह बोर्न सन्निकटन (Born approximation) को ठीक करता है, जो प्रासंगिक पैरामीटर स्पेस में यूनिटैरिटी बाउंड्स का उल्लंघन करता है।
प्रतिबंध: वे अवशेष की दीर्घायु (longevity) के लिए बाधाओं (जिसके लिए $|\delta| < 2m_e$ आवश्यक है ताकि रेडिएटिव डिके को रोका जा सके), सौर कैप्चर सीमाओं और डार्क फोटॉन के लिए मौजूदा बीम-डंप खोजों को लागू करते हैं।

मुख्य योगदान और परिणाम

हेलो स्वतंत्रता: अंतोष्मी मॉडलों के विपरीत, बहिष्ऊष्मा परीक्षाओं (exothermic) की दर हेलो मापदंडों में बदलाव के प्रति स्थिर है। एस्केप स्पीड को 500 से 600 km s $^{-1}$ बदलने पर अनुमानित काउंट केवल 0.3% बदलता है, जबकि अंतोष्मी मॉडलों के लिए यह कई ऑर्डर्स ऑफ मैग्नीट्यूड बदल जाता है।
निम्न-ऊर्जा दमन (Low-Energy Suppression): मॉडल 70 keV से नीचे या ऊपर की काउंट्स के बीच 0.011 का अनुपात बताता है। यह स्वाभाविक रूप से मानक निम्न-ऊर्जा LZ खोज में प्राप्त शून्य परिणाम की व्याख्या करता है, क्योंकि निम्न-ऊर्जा विंडो फॉर्म फैक्टर और विशिष्ट प्रकीर्णन ऊर्जा द्वारा काइनेमेटिक रूप से दमित है।
मीडिएटर और कपलिंग: एक कमजोर-शक्ति कपलिंग (weak-strength coupling) इवेंट को $8.9 \times 10^5$ बार अधिक उत्पन्न कर देगी। लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि मीडिएटर एक डार्क-सेक्टर वेक्टर ( $A'$ ) होना चाहिए जिसमें काइनेटिक मिक्सिंग $\epsilon$ हो।
उत्तेजित अवस्था का अंश ( $f_2$ ): कपल्ड बोल्ट्ज़मैन सिस्टम को हल करने से पता चलता है कि उत्तेजित अवस्था कम हो जाती है। नॉन-परटर्बेटिव उपचार $f_2 \approx 2 \times 10^{-3}$ से $4 \times 10^{-2}$ प्राप्त करता है, जो मीडिएटर द्रव्यमान $m_{A'}$ के साथ दोलन करता है। यह बोर्न सन्निकटन की तुलना में काफी कम है।
पैरामीटर स्पेस: $m_\chi = 500$ GeV और $|\delta| = 350$ keV के बेंचमार्क के लिए, मॉडल को प्रोटॉन क्रॉस-सेक्शन $\sigma_p \simeq 2 \times 10^{-42}$ cm $^2$ और $m_{A'} = 1$ GeV पर काइनेटिक मिक्सिंग $\epsilon \simeq 1 \times 10^{-6}$ की आवश्यकता होती है।
एकीकृत ढांचा (Unified Framework): लेखक प्रदर्शित करते हैं कि ग्राउंड स्टेट ( $\chi_1$ ) उसी ऑपरेटर के माध्यम से अंतोष्मी रूप से ऊपर की ओर प्रकीर्णित (upscatters) होता है। हालाँकि, $|\delta| \gtrsim 300$ keV के लिए, अपस्कैटरिंग के लिए काइनेटिक थ्रेशोल्ड हेलो एस्केप स्पीड से अधिक हो जाता है, जिससे अंतोष्मी चैनल काइनेमेटिक रूप से बंद हो जाता है। इस प्रकार, प्रकाशित अंतोष्मी व्याख्याओं को इसी मॉडल के छोटे-विभाजन सीमा ( $|\delta| \lesssim 300$ keV) के रूप में पहचाना गया है।

महत्व और दावे
पेपर का दावा है कि बहिष्ऊष्माक्षेपी डाउनस्कैटरिंग परिकल्पना अंतोष्मी मॉडलों के लिए आवश्यक हेलो पैरामीटर की फाइन-ट्यूनिंग के बिना LZ इवेंट को पुनरुत्पादित करती है। यह परिदृश्य आंतरिक रूप से प्रतिबंधित है:

दीर्घायु (Longevity): उत्तेजित अवस्था को 13.8 अरब वर्षों तक जीवित रखने की आवश्यकता $|\delta| < 2m_e$ को लागू करती है, जो हिग्सिनो व्याख्या को बाहर करती है।
नॉर्मलाइजेशन: अवशेष प्रचुरता (relic abundance) डार्क कपलिंग $\alpha_D$ को फिक्स करती है, और कपल्ड-चैनल गणना $f_2$ को फिक्स करती है, जिससे फ्री नॉर्मलाइजेशन पैरामीटर हट जाते हैं।
असत्यता सिद्ध करने योग्य (Falsifiability): मॉडल आर्गन-आधारित डिटेक्टरों (जैसे DEAP-3600, DarkSide-50) के लिए एक निर्णायक भविष्यवाणी करता है। जबकि जेनॉन का पहला फॉर्म-फैक्टर ज़ीरो 94.6 keV पर है, आर्गन का 695 keV पर है। फलस्वरूप, आर्गन को 250 keV के पास प्रति टन-वर्ष 4 से 6 इवेंट देखने चाहिए। इसके विपरीत, अंतोष्मी रीडिंग आर्गन में किसी भी एक्सपोजर के लिए काइनेमेटिक रूप से वर्जित है क्योंकि आवश्यक वेग गैलेक्टिक एस्केप स्पीड से अधिक है।
मॉड्यूलेशन: मॉडल प्रतिशत-स्तर का वार्षिक मॉड्यूलेशन (विशिष्ट $\delta$ के लिए संकेत को उलटते हुए) भविष्यवाणी करता है, जबकि अंतोष्मी मॉडल $\sim 100\%$ मॉड्यूलेशन की भविष्यवाणी करते हैं (घटनाएं ग्रीष्म ऋतु के महीनों तक सीमित होती हैं)।

लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि यह परिदृश्य मौजूदा डेटा के साथ परीक्षण योग्य है और "निर्णायक परीक्षण" हल्के लक्ष्यों जैसे आर्गन की प्रतिक्रिया में निहित है, जो काइनेटिक एक्सेसिबिलिटी के आधार पर बहिष्ऊष्माक्षेपी और अंतोष्मी रीडिंग के बीच अंतर कर सकते हैं।

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