Probing Scalar-Induced First-Order Phase Transitions with the Diffuse Supernova Neutrino Background

विशाल सितारों के हृदय के भीतर, सुपरनोवा के रूप में फटने से ठीक पहले, पदार्थ को ऐसे घनत्व और तापमान तक कुचला जाता है जिसे पृथ्वी पर कोई भी प्रयोगशाला कभी भी पुन: उत्पन्न नहीं कर सकती। इन चरम वातावरणों में, हमारे ब्रह्मांड को बनाने वाले मौलिक कण ऐसे तरीकों से व्यवहार करते हैं जो अक्सर दृष्टि से ओझल रहते हैं। इन छिपी हुई स्थितियों का अध्ययन करने के लिए हमारे पास सबसे शक्तिशाली उपकरणों में से एक न्यूट्रिनो है, जो एक भूतिया कण है जो किसी भी चीज़ के साथ बहुत कम परस्पर क्रिया करता है और सीधे एक ढहते हुए तारे के केंद्र से बाहर निकल सकता है। हालांकि हमने 1987 में केवल एक पास के सुपरनोवा विस्फोट से निकलने वाले न्यूट्रिनो को ही देखा है, लेकिन ब्रह्त्व के इतिहास में जितने भी तारे मर चुके हैं, उनसे न्यूट्रिनो की एक मंद, निरंतर गूँज पृथ्वी पर पहुँच रही है। यह पृष्ठभूमि चमक, जिसे विसरित सुपरनोवा न्यूट्रिनो पृष्ठभूमि (डिफ्यूज सुपरनोवा न्यूट्रिनो बैकग्राउंड) के रूप में जाना जाता है, एक ब्रह्मांडीय संग्रह (कॉस्मिक आर्काइव) के रूप में कार्य करती है, जो अनगिनत सितारों की मृत्यु की संयुक्त स्मृति को वहन करती है।

भौतिकविदों को लंबे समय से संदेह रहा है कि इन मरते हुए सितारों में केवल उन मानक कणों से अधिक कुछ हो सकता है जिन्हें हम जानते हैं। उन्होंने प्रस्तावित किया है कि एक नया, बहुत हल्का प्रकार का कण, जिसे 'स्केलर' कहा जाता है, तारे के केंद्र में जन्म ले सकता है। यदि ऐसा कण मौजूद है और न्यूट्रिनो के साथ परस्पर क्रिया करता है, तो यह केवल उड़कर दूर नहीं जाएगा; इसके बजाय, यह तारे के गर्म सूप में फंस जाएगा, गर्म होगा और एक तरल की तरह व्यवहार करेगा। जैसे ही विस्फोट के बाद तारा ठंडा होता है, यह फंसा हुआ कण अपनी अवस्था में अचानक परिवर्तन से गुजरेगा, जो पानी के बर्फ में जमने के समान है, लेकिन यह अरबों डिग्री के तापमान पर होता है। यह अचानक परिवर्तन, जिसे प्रथम-क्रम चरण संक्रमण (फर्स्ट-ऑर्डर फेज ट्रांजिशन) के रूप में जाना जाता है, ऊर्जा का एक विस्फोट उत्पन्न करेगा और तारे से निकलने वाले न्यूट्रिनो के प्रवाह में एक अद्वितीय संकेत (सिग्नेचर) बनाएगा।

एक शोध दल ने अब इस बात की जांच की है कि क्या यह विशिष्ट परिदृश्य ब्रह्मांडीय न्यूट्रिनो पृष्ठभूमि पर एक पता लगाने योग्य निशान छोड़ता है। उन्होंने एक विस्तृत मॉडल बनाया कि क्या होता है जब एक हल्का स्केलर कण एक ढहते हुए तारे के भीतर फंस जाता है और फिर एक चरण संक्रमण से गुजरता है। उनका कार्य प्रकट करता है कि यह प्रक्रिया दो अलग-अलग प्रकार के न्यूट्रिनो संकेत उत्पन्न करेगी जो मरने वाले तारे की सामान्य चमक से भिन्न होते हैं। पहला संकेत उन स्केलर कणों से आता है जो गर्म कोर में लगातार बनते और नष्ट होते हैं; ये कण अंततः बाहर निकलते हैं और न्यूट्रिनो में क्षय (डिके) होते हैं, जिससे ऊर्जा की एक स्थिर, विस्तृत धारा बनती है। दूसरा संकेत अधिक नाटकीय और विलंबित है। जब तारा इतना ठंडा हो जाता है कि चरण संक्रमण घटित हो सके, तो स्केलर क्षेत्र एक नई अवस्था में स्थिर हो जाता है, जिससे संचित ऊर्जा की एक बड़ी मात्रा एक साथ मुक्त होती है। यह ऊर्जा स्केलर कणों की एक सुसंगत तरंग (कोहेरेंट वेव) बनाती है जो फिर न्यूट्रिनो में क्षय होती है, जिससे एक विशिष्ट मान पर ऊर्जा का एक तीक्ष्ण, संकीर्ण स्पाइक उत्पन्न होता है।

शोधकर्ताओं ने गणना की कि जब ये न्यूट्रिनो पृथ्वी तक पहुँचते हैं तो ये संकेत कैसे दिखेंगे, जिसमें इस तथ्य को ध्यान में रखा गया है कि न्यूट्रिनो ब्रह्मांड में यात्रा करते समय अपनी पहचान बदलते हैं। उन्होंने पाया कि इस नए भौतिकी को पहचानने की क्षमता स्वयं न्यूट्रिनो के द्रव्यमान पर बहुत अधिक निर्भर करती है। यदि न्यूट्रिनो द्रव्यमानों का एक विशिष्ट क्रम का पालन करते हैं जिसे 'इनवर्टेड ऑर्डरिंग' (उल्टा क्रम) कहा जाता है, तो नए संकेत पृष्ठभूमि के शोर के मुकाबले उभरने के लिए पर्याप्त मजबूत होंगे। हालांकि, यदि न्यूट्रिनो एक अलग व्यवस्था का पालन करते हैं जिसे 'नॉर्मल ऑर्डरिंग' (सामान्य क्रम) कहा जाता है, तो नए संकेत इतने मंद होंगे कि वे संभवतः छिपे रहेंगे।

जापान के सुपर-कामिकांडे डिटेक्टर से प्राप्त डेटा का उपयोग करते हुए, जिसने वर्षों से इन ब्रह्मांडीय न्यूट्रिनोओं को सुन रखा है, टीम ने अपने अनुमानों का वास्तविकता के साथ परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि यदि ऐसा कण मौजूद है और चरण संक्रमण का कारण बनता है, तो वर्तमान डेटा पहले से ही इस नए स्केलर कण की कई संभावनाओं को खारिज करता है यदि न्यूट्रिनो 'इनवर्टेड मास ऑर्डरिंग' का पालन करते हैं। विशेष रूप से, उन्होंने पाया कि यदि ऐसा कण मौजूद है और चरण संक्रमण का कारण बनता है, तो इसके गुण ऐसे होने चाहिए कि यह बहुत अधिक ऊर्जा मुक्त न करे, जिससे प्रभावी रूप से वह स्थान सीमित हो जाता है जहाँ यह नई भौतिकी छिप सकती है। भविष्य की ओर देखते हुए, शोधकर्ताओं ने अनुमान लगाया कि भविष्य के डिटेक्टर, जो बहुत बड़े और अधिक संवेदनशील होंगे, इन सीमाओं को और आगे बढ़ा सकते हैं। हाइपर-कामिकांडे या डीप अंडरग्राउंड न्यूट्रिनो एक्सपेरिमेंट (DUNE) जैसा डिटेक्टर इन संकेतों को स्पष्ट रूप से देख सकता है, जिससे ब्रह्मांड की मंद गूँज को मरने वाले सितारों के भीतर की छिपी गतिशीलता के बारे में एक स्पष्ट संदेश में बदला जा सके।

यह कार्य प्रदर्शित करता है कि न्यूट्रिनो की विसरित पृष्ठभूमि केवल एक स्थिर पृष्ठभूमि नहीं है, बल्कि ब्रह्मांड के सबसे चरम भौतिकी की जांच करने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है। इन प्राचीन कणों की ऊर्जा और समय का सावधानीपूर्वक होकर सुनकर, वैज्ञानिक उन नए कणों और चरण संक्रमणों के बारे में विचारों का परीक्षण कर सकते हैं जो अरबों साल पहले हुए थे। अध्ययन बताता है कि ब्रह्मांड हमें पहले से ही वह साक्ष्य प्रदान कर रहा है जिसकी हमें इन मायावी स्केलर कणों के अस्तित्व की पुष्टि या खंडन करने के लिए आवश्यकता है, और अगली पीढ़ी के डिटेक्टर अंततः उस चरण संक्रमण की गूँज को सुनने में सक्षम हो सकते हैं जो बहुत पहले एक तारे के भीतर हुआ था।