IceCube data for astrophysical neutrinos exhibit q-statistical behavior

अंटार्कटिका की बर्फ की गहराइयों में, आइसक्यूब (IceCube) नामक एक विशाल डिटेक्टर ब्रह्मांड की सबसे मंद फुसफुसाहटों को सुनता है। यह ध्वनि सुनने के लिए नहीं, बल्कि न्यूट्रिनो नामक भूतिया कणों के लिए सुनता है जो लगभग प्रकाश की गति से पृथ्वी के माध्यम से गुजरते हैं। ये कण ब्रह्मांड की सबसे हिंसक घटनाओं, जैसे कि मरते हुए सितारों के विस्फोट या ब्लैक होल्स के घूमते भंवरों से उत्पन्न होते हैं। दशकों से, वैज्ञानिक इन न्यूट्रिनो के ऊर्जा स्तरों को समझने की कोशिश कर रहे हैं, इस उम्मीद में कि वे उनके दूरस्थ उद्गम के रहस्यों को डिकोड कर सकें। ऐसा करने के लिए, वे सांख्यिकीय यांत्रिकी (statistical mechanics) नामक नियमों के एक सेट पर भरोसा करते हैं, जो अनिवार्य रूप से यह अनुमान लगाने का एक तरीका है कि कणों के बड़े समूह कैसे व्यवहार करते हैं। सरल, शांत प्रणालियों के लिए, मानक नियम पूरी तरह से काम करते हैं। हालाँकि, ब्रह्मांड अक्सर अराजक और जटिल होता है, जिसमें ऐसी ताकतें शामिल होती हैं जो विशाल दूरियों और समयों तक फैली होती हैं। जब कण इतनी बड़ी दूरियों पर परस्पर क्रिया करते हैं, तो पुराने नियम कभी-कभी विफल हो जाते हैं, और वैज्ञानिकों ने इन लंबी दूरी के संबंधों का वर्णन करने के लिए नए गणितीय उपकरण विकसित किए हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में आइसक्यूब के नवीनतम डेटा की ओर अपना ध्यान केंद्रित किया ताकि यह देखा जा सके कि क्या ये नए उपकरण खगोलीय न्यूट्रिनो के व्यवहार की व्याख्या कर सकते हैं। उन्होंने इन कणों के ऊर्जा वितरण का परीक्षण किया, और डेटा एकत्र करने के दो अलग-अलग तरीकों का अध्ययन किया: एक विधि बर्फ के माध्यम से कणों के पथ को ट्रैक करती है, और दूसरी विधि उन प्रकाश के विस्फोटों (bursts of light) पर ध्यान केंद्रित करती है जो डिटेक्टर के भीतर शुरू होने पर उत्पन्न होते हैं। इस डेटा को मॉडल करने के पिछले प्रयासों में दो अलग-अलग गणितीय आकृतियों का उपयोग किया गया था। एक आकृति उच्च-ऊर्जा वाले कणों के लिए अच्छी थी लेकिन कम ऊर्जा पर विफल हो गई, जबकि दूसरी आकृति ने इसके विपरीत किया—वह कम ऊर्जाओं के लिए सटीक थी लेकिन उच्च ऊर्जाओं पर विफल रही। वैज्ञानिक एक एकल, सरल विवरण खोजना चाहते थे जो बिना किसी दूसरे मॉडल के स्विच किए, निम्नतम से उच्चतम तक की पूरी ऊर्जा सीमा की व्याख्या कर सके।

शोधकर्ताओं ने आइसक्यूब डेटा पर q-गौसियन वितरण (q-Gaussian distribution) नामक एक विशिष्ट प्रकार के गणितीय वक्र (curve) को लागू किया। यह वक्र एक व्यापक ढांचे का हिस्सा है जिसे उन प्रणालियों के लिए डिज़ाइन किया गया है जहाँ कण स्वतंत्र नहीं होते हैं बल्कि लंबी दूरी के सहसंबंधों (long-range correlations) द्वारा जुड़े होते हैं, जिसका अर्थ है कि एक कण का व्यवहार अंतरिक्ष और समय में दूर स्थित अन्य कणों से प्रभावित होता है। जब उन्होंने इस वक्र को न्यूट्रिनो डेटा पर फिट किया, तो यह ऊर्जाओं के पूरे स्पेक्ट्रम में उल्लेखनीय रूप से प्रभावी रहा, जो ट्रिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट से लेकर दस लाख ट्रिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट तक पहुँचने वाली उच्चतम ऊर्जाओं तक फैला हुआ था। यह सफलता महत्वपूर्ण थी क्योंकि यह सुझाव देती है कि न्यूट्रिनो केवल अकेले खाली स्थान में नहीं उड़ रहे हैं; बल्कि, उनकी यात्रा एक जटिल कनेक्शन के जाल द्वारा नियंत्रित है जो ब्रह्मांड के दूरस्थ कोनों तक फैला हुआ है।

अध्ययन ने एक विशिष्ट संख्या प्रकट की जो इन संबंधों की मजबूती का वर्णन करती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इन सहसंबंधों को मापने वाले इंडेक्स (index) का मान लगभग 1.6 है। यह मान अन्य उच्च-ऊर्जा भौतिकी प्रयोगों, जैसे कि लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर में प्रोटॉन के टकराव या पृथ्वी के वायुमंडल से टकराने वाले कॉस्मिक किरणों के अध्ययन में देखे जाने वाले मानों से काफी अधिक है, जहाँ मान 1.1 या 1.2 के करीब होते हैं। इस सांख्यिकीय ढांचे की भाषा में, 1 का मान केवल अल्प-दूरी के संबंधों वाली दुनिया को दर्शाता है, जबकि उच्च मान यह संकेत देते हैं कि कण बहुत दूर होने वाली घटनाओं से प्रभावित होते हैं। न्यूट्रिनो के लिए यह मान इतना अधिक होना यह बताता है कि न्यूट्रिनो को प्रभावित करने वाले स्पेस-टाइम सहसंबंध असाधारण रूप से लंबी दूरी के हैं, जो शायद उनके दूरस्थ स्रोतों और अंटार्कटिका में डिटेक्टर के बीच की विशाल दूरियों तक फैले हुए हैं।

हालाँकि गणितीय फिट सटीक था, लेकिन इन अविश्वसनीय रूप से लंबी दूरी के कनेक्शनों के पीछे का भौतिक कारण अभी भी एक रहस्य बना हुआ है। शोधकर्ताओं ने इस व्यवहार का कारण बनने वाले विशिष्ट तंत्र की पहचान नहीं की, जिससे यह भविष्य के अनुसंधान के लिए एक खुला प्रश्न बना हुआ है। हालाँकि, डेटा ने एक अन्य सूक्ष्म विशेषता की ओर भी संकेत किया: ऊर्जा वितरण में छोटे, दोहराव वाले उतार-चढ़ाव (ripples)। ये उतार-चढ़ाव सुझाव देते हैं कि वह ब्रह्मांडीय संरचना जिसके माध्यम से ये न्यूट्रिनो यात्रा कर रहे हैं, एक स्व-समान पैटर्न (self-similar pattern) का पालन करती है, जो एक फ्रैक्टल (fractal) के समान है, जहाँ समान आकृतियाँ विभिन्न पैमानों पर दोहराई जाती हैं। यह खोज इस विचार को पुख्ता करती है कि ब्रह्मांड के सबसे चरम वातावरण को समझने के लिए गैर-मानक सांख्यिकीय नियम आवश्यक हैं। यह कार्य पुष्टि करता है कि इन ब्रह्मांडीय संदेशवाहकों की यात्रा गहरी, लंबी दूरी की कड़ियों द्वारा आकार लेती है जिन्हें मानक भौतिकी मॉडल पूरी तरह से नहीं पकड़ सकते, जो हमें यह समझने का एक नया दृष्टिकोण प्रदान करती है कि ब्रह्मांड अपने सबसे दूर के हिस्सों को कैसे जोड़ता है।