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Measurement of Neutrino Oscillation Parameters at JUNO and Indication of the Neutrino Mass Ordering

207.2 लाइव दिनों के रिएक्टर न्यूट्रिनो डेटा के आधार पर, JUNO प्रयोग ने वायुमंडलीय द्रव्यमान विभाजन (atmospheric mass splitting) को मापने में विश्व-अग्रणी 1% सटीकता हासिल की और सौर दोलन मापदंडों (solar oscillation parameters) में सुधार किया, जो सामान्य न्यूट्रिनो द्रव्यमान क्रमिंग (normal neutrino mass ordering) के पक्ष में $2.1\sigma$ का संकेत प्रदान करता है।

मूल लेखक: The JUNO Collaboration

प्रकाशित 2026-09-30

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CC BY 4.0

मूल लेखक: The JUNO Collaboration

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न्यूट्रिनो ब्रह्मांड में सबसे प्रचुर मात्रा में मौजूद द्रव्यमान वाले कण हैं, फिर भी वे सबसे मायावी भी हैं। खरबों न्यूट्रिनो हर सेकंड आपके शरीर से गुजरते हैं, जो लगभग भारहीन और भूत की तरह होते हैं, और अपने आस-पास के पदार्थ के साथ शायद ही कभी परस्पर क्रिया करते हैं। दशकों तक, वैज्ञानिकों का मानना था कि ये कण भारहीन थे, लेकिन खोजों की एक श्रृंखला ने एक गहरा सत्य प्रकट किया: न्यूट्रिनो में द्रव्यमान होता है, और वे यात्रा करते समय अपनी पहचान बदलते हैं। यह घटना, जिसे 'ऑसिलेशन' (दोलन) कहा जाता है, इसलिए होती है क्योंकि तीन प्रकार के न्यूट्रिनो—इलेक्ट्रॉन, म्यूऑन और ताऊ—अलग-अलग, ठोस वस्तुएं नहीं बल्कि तीन अलग-अलग द्रव्यमान अवस्थाओं (मास स्टेट्स) के मिश्रण हैं। जैसे ही एक न्यूट्रिनो अंतरिक्ष में आगे बढ़ता है, ये द्रव्यमान अवस्थाएं एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप करती हैं, जिससे कण अपने तीन फ्लेवर्स के बीच आगे-पीछे बदलने लगता है। हालांकि भौतिकविदों ने इस व्यवहार का काफी हद तक मानचित्रण कर लिया है, लेकिन एक मौलिक प्रश्न अनसुलझा रह गया है: तीन द्रव्यमान अवस्थाओं में से सबसे भारी कौन सी है? उत्तर न्यूट्रिनो परिवार के "मास ऑर्डरिंग" (द्रव्यमान क्रम) को निर्धारित करता है, एक ऐसा विवरण जो ब्रह्मांड के विकास और भौतिकी के मूलभूत नियमों के बारे में हमारी समझ को नया रूप दे सकता है।

इस पहेली को सुलझाने के लिए, चीन में गहराई में स्थित जेयूएनओ (JUNO) नामक एक विशाल प्रयोग ने न्यूट्रिनो की मंद फुसफुसाहटों को सुनना शुरू कर दिया है। यह सुविधा ग्वांगडोंग में एक पहाड़ी के नीचे स्थित है, जिसे ब्रह्मांडीय विकिरण को रोकने के लिए सैकड़ों मीटर की चट्टानों द्वारा ढका गया है। इसके केंद्र में 20,000 टन लिक्विड स्किंटिलेटर से भरा एक विशाल गोला है, जो एक विशेष तेल है जो न्यूट्रिनो के साथ परस्पर क्रिया करने पर प्रकाश के साथ चमक उठता है। इस गोले के चारों ओर हजारों अति-संवेदनशील कैमरे, या फोटोमल्टीप्लायर ट्यूब लगे हैं, जिन्हें प्रकाश की सबसे हल्की चमक को पकड़ने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यह प्रयोग एंटी-न्यूट्रिनो, जो न्यूट्रिनो के प्रति-पदार्थ समकक्ष हैं, पर ध्यान केंद्रित करता है, जो पास के दो परमाणु ऊर्जा संयंत्रों द्वारा लगातार उत्पादित किए जा रहे हैं। जैसे ही ये कण डिटेक्टर तक लगभग 52.5 किलोमीटर की यात्रा करते हैं, वे एक जटिल पैटर्न में दोलन करते हैं जो उनके द्रव्यमान अंतर पर निर्भर करता है। आने वाले कणों की ऊर्जा को अत्यधिक सटीकता के साथ मापकर, वैज्ञानिक हस्तक्षेप के पैटर्न को डिकोड कर सकते हैं और द्रव्यमान के क्रम का निर्धारण कर सकते हैं।

एक हालिया विश्लेषण में, जेयूएनओ सहयोग ने इस खोज में एक बड़ा कदम आगे बढ़ाया है, जिसमें 207 दिनों में एकत्र किए गए डेटा का उपयोग किया गया है। टीम ने 8,000 से अधिक संभावित घटनाओं की पहचान की जहाँ एक एंटी-न्यूट्रिनो ने डिटेक्टर में एक प्रोटॉन से टकराया था, जिससे एक पॉज़िट्रॉन और एक न्यूट्रॉन उत्पन्न हुआ। यह विशिष्ट परस्पर क्रिया, जिसे 'इनवर्स बीटा डिके' कहा जाता है, एक स्पष्ट संकेत प्रदान करती है जो शोधकर्ताओं को सिग्नल को बैकग्राउंड शोर से अलग करने की अनुमति देती है। विश्लेषण कठोर था, जो एक "ब्लाइंडिंग" रणनीति पर आधारित था जहाँ वैज्ञानिकों ने अंतिम परिणामों को देखे बिना अपने उपकरणों को कैलिब्रेट किया और अपनी विधियों का परीक्षण किया ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि किसी भी अवचेतन पूर्वाग्रह ने परिणाम को प्रभावित न किया हो। उन्होंने TAO नामक एक छोटे, उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाले डिटेक्टर से प्राप्त डेटा को भी शामिल किया, जो एक रिएक्टर के ठीक बगल में स्थित है, ताकि न्यूट्रिनो बीम की यात्रा शुरू होने से पहले उसकी सटीक तस्वीर प्राप्त की जा सके। इस संयोजन ने टीम को न्यूट्रिनो की ऊर्जा को लगभग एक प्रतिशत की सटीकता के साथ मापने की अनुमति दी, जो इस प्रकार के माप के लिए पहले कभी हासिल नहीं की गई थी।

इस अध्ययन के परिणाम उन दो प्रमुख मापदंडों के लिए अब तक के सबसे सटीक माप प्रदान करते हैं जो यह निर्धारित करते हैं कि न्यूट्रिनो कैसे मिश्रित और परिवर्तित होते हैं। टीम ने अभूतपूर्व सटीकता के साथ सौर दोलन मापदंडों (सोलर ऑसिलेशन पैरामीटर्स) के मान निर्धारित किए, जिससे अनिश्चितता को केवल कुछ प्रतिशत तक कम कर दिया गया। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि उन्होंने वायुमंडलीय द्रव्यमान विभाजन (एटमॉस्फेरिक मास स्प्लिटिंग) के लिए लगभग एक प्रतिशत की विश्व-अग्रणी सटीकता प्राप्त की, जो एक ऐसा मान है जो सबसे भारी और सबसे हल्के न्यूट्रिनो द्रव्यमानों के बीच के अंतर का वर्णन करता है। हालांकि सिग्नल की जटिलता के कारण अकेले डेटा ने कई संभावित समाधान दिखाए, शोधकर्ताओं ने अपने निष्कर्षों को अन्य प्रयोगों के मौजूदा मापों के साथ जोड़कर सही भौतिक उत्तर को अलग किया। डेटा के इस संश्लेषण ने उन्हें दोनों संभावित परिदृश्यों के लिए द्रव्यमान विभाजन मानों को सटीक रूप से निर्धारित करने की अनुमति दी: 'नॉर्मल ऑर्डरिंग', जहाँ तीसरा द्रव्यमान अवस्था सबसे भारी है, और 'इनवर्टेड ऑर्डरिंग', जहाँ यह सबसे हल्का है।

जब शोधकर्ताओं ने इन नए, अत्यधिक सटीक मापों की लंबी दूरी के त्वरक प्रयोगों (एक्सेलेरेटर एक्सपेरिमेंट्स) के डेटा के साथ तुलना की, तो एक स्पष्ट प्राथमिकता उभर कर आई। संयुक्त साक्ष्य 'इनवर्टेड ऑर्डरिंग' के मुकाबले 'नॉर्मल ऑर्डरिंग' परिदृश्य के पक्ष में रहा। इस प्राथमिकता की सांख्यिकीय सार्थकता 2.1 मानक विचलन (स्टैंडर्ड डेविएशन) के स्तर तक पहुँच गई, जिसका अर्थ है कि इस परिणाम के संयोग होने की संभावना लगभग दो प्रतिशत है। हालाँकि यह अभी तक एक निर्णायक खोज नहीं बना है, जिसके लिए निश्चितता का बहुत उच्च स्तर की आवश्यकता होती है, फिर भी यह पहली बार है जब जेयूएनओ-आधारित विश्लेषण ने इतनी मजबूती से 'नॉर्मल ऑर्डरिंग' की ओर संकेत किया है। टीम ने एक बेयसियन विश्लेषण (Bayesian analysis) भी किया, जो एक अलग सांख्यिकीय दृष्टिकोण है, जिसने 'नॉर्मल ऑर्डरिंग' के पक्ष में दस गुना से अधिक का कारक प्राप्त किया। ये निष्कर्ष इस प्रयोग के लिए एक महत्वपूर्ण मील का पत्थर हैं, जो यह प्रदर्शित करते हैं कि जेयूएनओ द्रव्यमान क्रम के रहस्य को सुलझाने के लिए आवश्यक अत्यधिक सटीकता प्राप्त करने में सक्षम है। जैसे-जैसे डिटेक्टर आने वाले वर्षों में डेटा एकत्र करना जारी रखेगा, सांख्यिकीय शक्ति बढ़ेगी, जो इस संकेत को एक निर्णायक माप में बदलने का वादा करती है जो अंततः न्यूट्रिनो परिवार के छिपे हुए पदानुक्रम को प्रकट कर देगा।

तकनीकी सारांश: JUNO में न्यूट्रिनो दोलन मापदंडों का मापन और न्यूट्रिनो द्रव्यमान क्रम का संकेत

समस्या और संदर्भ
न्यूट्रिनो दोलन की खोज ने पुष्टि की कि न्यूट्रिनो के पास गैर-शून्य द्रव्यमान है और फ्लेवर आइजनस्टेट (flavor eigenstates), मास आइजनस्टेट (mass eigenstates) के मिश्रण हैं। मानक तीन-फ्लेवर ढांचे के भीतर, शेष अज्ञात चरों में $\theta_{23}$ का ऑक्टेंट, CP-उल्लंघन चरण (CP-violating phase) $\delta_{CP}$ , और न्यूट्रिनो द्रव्यमान क्रम (NMO) शामिल हैं। NMO यह निर्धारित करता है कि द्रव्यमान स्पेक्ट्रम सामान्य क्रम (NO, $\Delta m^2_{31} > 0$ ) का अनुसरण करता है या व्युत्क्रम क्रम (IO, $\Delta m^2_{31} < 0$ ) का। जबकि लॉन्ग-बेसलाइन एक्सेलेरेटर और वायुमंडलीय न्यूट्रिनो प्रयोग पदार्थ-प्रेरित प्रभावों (matter-induced effects) के माध्यम से NMO की जांच करते हैं, जियांगमेन अंडरग्राउंड न्यूट्रिनो ऑब्जर्वेटरी (JUNO) रिएक्टर एंटीन्यूट्रिनो ( $\bar{\nu}_e$ ) विलोपन (disappearance) के माध्यम से इसे हल करने का लक्ष्य रखती है। यह दृष्टिकोण वैक्यूम-प्रभुत्व वाले दोलनों के ऊर्जा-निर्भर प्रभाव का लाभ उठाता है, जो $\delta_{CP}$ और $\theta_{23}$ से स्वतंत्र संवेदनशीलता प्रदान करता है।

कार्यप्रणाली
यह विश्लेषण JUNO द्वारा 30 अगस्त, 2025 और 18 मई, 2026 के बीच एकत्र किए गए 207.2 लाइव दिनों के डेटा पर आधारित है, जो प्रारंभिक 59.1-दिवसीय डेटासेट का एक महत्वपूर्ण विस्तार है। ग्वांगडोंग, चीन में दाशी हिल के नीचे स्थित यह डिटेक्टर, लगभग 43,000 फोटोमल्टीप्लायर ट्यूबों से सुसज्जित एक 20-किलोटन लिक्विड स्किंटिलेटर सेंट्रल डिटेक्टर का उपयोग करता है।

इवेंट चयन और अंशांकन (Calibration): इनवर्स बीटा डिके (IBD) उम्मीदवारों ( $\bar{\nu}_e + p \to e^+ + n$ ) को एक परिष्कृत मानदंडों के सेट का उपयोग करके चुना गया था, जिसमें एक विस्तारित फिड्यूशियल वॉल्यूम ( $R < 17.2$ m) और बेहतर म्यून वीटोइंग (muon vetoing) शामिल है। तैनात स्रोतों (जैसे $^{68}$ Ge, $^{137}$ Cs, Am-C) और प्राकृतिक स्रोतों ( $^{214}$ Po) के एक व्यापक अंशांकन कार्यक्रम ने ऊर्जा स्केल और नॉन-लिनियैरिटी मॉडल को स्थापित किया। डिटेक्टर केंद्र पर ऊर्जा रिज़ॉल्यूशन को $^{68}$ Ge $\gamma$ -किरणों के लिए लगभग 3.5% ( $\sigma/E$ ) मापा गया।
बैकग्राउंड दमन (Background Suppression): प्रमुख बैकग्राउंड, विशेष रूप से कॉस्मोजेनिक $^9$ Li/ $^8$ He, को स्पैलेशन न्यूट्रॉन और म्यून-ट्रैक वीटो के माध्यम से दबाया गया। आकस्मिक (accidental) बैकग्राउंड को स्थानिक-कालिक वितरणों (spatio-temporal distributions) पर आधारित लाइकलीहुड-रेशियो कट का उपयोग करके कारक $\sim$ 40 से कम किया गया। जियोन्यूट्रिनो फ्लक्स का अनुमान $^{232}$ Th-से- $^{238}$ U अनुपात को बाधित रखते हुए दर को अनकन्स्ट्रेंड (unconstrained) छोड़कर लगाया गया।
विश्लेषण ढांचा: JUNO डेटा, TAO (ताइशान एंटीन्यूट्रिनो ऑब्जर्वेटरी) से प्राप्त 90,280 IBD उम्मीदवारों और दया बे (Daya Bay) के नियर-डिटेक्टर डेटा पर एक संयुक्त फ्रीक्वेंटिस्ट बिनल्ड- $\chi^2$ फिट किया गया। फिट ने सांख्यिकीय विचरणों के लिए कंबाइंड नेयमैन-पियर्सन (CNP) प्रिस्क्रिप्शन का उपयोग किया। $\Delta m^2_{31}$ के कारण सीमित डेटासेट से उत्पन्न कई डिजेनरेट लोकल मिनिमा को हल करने के लिए, विश्लेषण ने $|\Delta m^2_{31}|$ के रूप में दया बे के मापन को एक बाधा (constraint) के रूप में शामिल किया।
द्रव्यमान क्रम निर्धारण: द्रव्यमान क्रम का परीक्षण करने के लिए, लॉन्ग-बेसलाइन (LBL) एक्सेलेरेटर प्रयोगों (NuFit) से $\Delta m^2_{31}$ पर प्रतिबंधों को एक पुल टर्म (pull term) के रूप में जोड़ा गया। NO बनाम IO की प्राथमिकता का मूल्यांकन करने के लिए फ्रीक्वेंटिस्ट और बायेसियन दोनों विश्लेषण किए गए।

प्रमुख योगदान

$\Delta m^2_{31}$ का पहला JUNO मापन: यह शोध पत्र JUNO डेटा का उपयोग करके वायुमंडलीय मास स्प्लिटिंग के पहले मापन की रिपोर्ट करता है, जो लगभग 1% की विश्व-अग्रणी सटीकता प्राप्त करता है।
बेहतर सोलर पैरामीटर्स: यह विश्लेषण सौर दोलन मापदंडों, $\sin^2 \theta_{12}$ और $\Delta m^2_{21}$ के विश्व के सबसे सटीक मापन प्रदान करता है।
TAO डेटा का एकीकरण: यह TAO सैटेलाइट डिटेक्टर से रिएक्टर एंटीन्यूट्रिनो स्पेक्ट्रम डेटा को शामिल करने वाला पहला दोलन विश्लेषण है, जो अनऑसिलेटेड स्पेक्ट्रम के लिए एक नियर-डिटेक्टर संदर्भ के रूप में कार्य करता है।
जियोन्यूट्रिनो फ्लक्स मापन: यह डेटासेट अब तक का विश्व का सबसे बड़ा जियोन्यूट्रिनो उम्मीदवार नमूना है, जो JUNO साइट पर जियोन्यूट्रिनो फ्लक्स के पहले मापन को प्रदान करता है।

परिणाम

दोलन मापदंड (Oscillation Parameters):
- वायुमंडलीय स्प्लिटिंग: नॉर्मल ऑर्डरिंग (NO) परिकल्पना के तहत, $\Delta m^2_{31} = +2.509^{+0.027}_{-0.025} \times 10^{-3} \text{ eV}^2$ है। इनवर्टेड ऑर्डरिंग (IO) परिकल्पना के तहत, $\Delta m^2_{31} = -2.482^{+0.025}_{-0.026} \times 10^{-3} \text{ eV}^2$ है।
- सोलर पैरामीटर्स: $\sin^2 \theta_{12} = 0.3036 \pm 0.0064$ (2.1% सापेक्ष सटीकता) और $\Delta m^2_{21} = (7.388 \pm 0.078) \times 10^{-5} \text{ eV}^2$ (1.1% सापेक्ष सटीकता)।
द्रव्यमान क्रम संकेत: JUNO डेटा के दया बे और LBL बाधाओं के साथ संयुक्त विश्लेषण से IO की तुलना में NO के पक्ष में झुकाव दिखता है।
- फ्रीक्वेंटिस्ट: NO के प्रति प्राथमिकता $\Delta \chi^2 = 4.86$ देती है, जो IO को खारिज करने के लिए एक-तरफा महत्व (one-sided significance) $2.1\sigma$ (या दो-तरफा कन्वेंशन के लिए $2.3\sigma$ ) के अनुरूप है। यह महत्व $\delta_{CP}$ के सभी संभावित मानों में बना रहता है।
- बायेसियन: एक मार्कोव चेन मोंटे कार्लो (MCMC) विश्लेषण NO के पक्ष में 10.18 का बायेस फैक्टर देता है।
बैकग्राउंड: सर्वश्रेष्ठ-फिट जियोन्यूट्रिनो दर $2.12 \pm 0.32$ काउंट्स प्रति दिन है, जो $(73 \pm 11)$ TNU का एफिशिएंसी-करेक्टेड फ्लक्स है।

महत्व
यह शोध पत्र JUNO को एक प्रिसिजन न्यूट्रिनो प्रयोग के रूप में स्थापित करता है, जो न्यूट्रिनो द्रव्यमान क्रम के उच्च-महत्वपूर्ण निर्धारण की दिशा में एक महत्वपूर्ण मील का पत्थर है। $\theta_{12}$ का सटीक मापन लेप्टोन-फ्लेवर मिक्सिंग पैटर्न का एक कठोर परीक्षण प्रदान करता है और अंतर्निहित फ्लेवर सिमेट्री को प्रकट करने में मदद कर सकता है। इसके अलावा, दो न्यूट्रिनो मास-स्क्वेर्ड डिफरेंस का सटीक निर्धारण मानक तीन-फ्लेवर दोलन प्रतिमान से परे नई-भौतिकी (new-physics) परिदृश्यों पर कड़े प्रतिबंध लगाता है। हालांकि वर्तमान डेटासेट $\Delta m^2_{31}$ के लिए कई स्थानीय मिनिमा (local minima) उत्पन्न करता है, बाहरी बाधाओं का एकीकरण JUNO को भौतिक न्यूनतम (physical minimum) की पहचान करने और JUNO-आधारित विश्लेषण के भीतर द्रव्यमान क्रम का पहला संकेत देने की अनुमति देता है। परिणाम यह भी प्रदर्शित करते कि पदार्थ प्रभावों और CP उल्लंघन से स्वतंत्र रूप से द्रव्यमान क्रम की जांच करने के लिए रिएक्टर एंटीन्यूट्रिनो डेटा का उपयोग करने की व्यवहार्यता क्या है।

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