Probing eV-scale sterile neutrinos with neutrinoless double-beta decay and beta decay

न्यूट्रिनो ब्रह्मांड में सबसे प्रचुर मात्रा में मौजूद विशाल कण हैं, फिर भी वे सबसे मायावी कणों में से एक बने हुए हैं। वे हर सेकंड खरबों की संख्या में पृथ्वी और हमारे शरीरों के माध्यम से गुजरते हैं, लेकिन बहुत कम ही किसी चीज़ के साथ अंतःक्रिया (interact) करते हैं। दशकों से, प्रयोगों ने पुष्टि की है कि इन कणों में द्रव्यमान (mass) होता है और वे अपनी पहचान बदल सकते हैं, जिसे दोलन (oscillation) नामक घटना कहा जाता है। हालाँकि, न्यूट्रिनो परिवार की एक पूर्ण तस्वीर अभी भी अधूरी है। मानक मॉडल तीन प्रकार के सक्रिय (active) न्यूट्रिनो का वर्णन करते हैं, लेकिन कई प्रयोगात्मक विसंगतियों ने एक चौथे, "स्टेरिल" (sterile) प्रकार के अस्तित्व की ओर संकेत किया है। सक्रिय न्यूट्रिनो के विपरीत, एक स्टेरिल न्यूट्रो अन्योन्यक्रिया (interaction) के माध्यम से नहीं, बल्कि कमजोर परमाणु बल (weak nuclear force) के माध्यम से भी नहीं करेगा, जिससे यह अधिकांश डिटेक्टरों के लिए अदृश्य हो जाएगा। यदि ऐसा कण मौजूद है जिसका द्रव्यमान लगभग एक इलेक्ट्रॉन-वोल्ट के आसपास है, तो यह कण भौतिकी और ब्रह्मांड के विकास के बारे में हमारी समझ को मौलिक रूप से बदल सकता है।

इस छिपे हुए कण की खोज दो अलग-अलग लेकिन पूरक तरीकों पर निर्भर करती है। एक दृष्टिकोण एक दुर्लभ परमाणु प्रक्रिया की तलाश करता है जिसे 'न्यूट्रिनोलेस डबल-बीटा क्षय' (neutrinoless double-beta decay) कहा जाता है, जहाँ परमाणु में दो न्यूट्रॉन बिना किसी न्यूट्रिनो को उत्सर्जित किए दो प्रोटॉन और दो इलेक्ट्रॉनों में परिवर्तित हो जाते हैं। यह प्रक्रिया केवल तभी होगी यदि न्यूट्रिनो अपने स्वयं के एंटीपार्टिकल्स (antiparticles) हों, जिसे मेजरना (Majorana) कण होने का गुण कहा जाता है। इस क्षय की दर न्यूट्रिनों के द्रव्यमान और उनके आंतरिक क्वांटम चरणों (quantum phases) के एक विशिष्ट संयोजन पर निर्भर करती है। दूसरा तरीका सीधे बीटा क्षय (beta decay) के मापन पर आधारित है, जहाँ वैज्ञानिक क्षय होते परमाणुओं से उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों के ऊर्जा स्पेक्ट्रम का विश्लेषण करते हैं ताकि शामिल न्यूट्रिनों के कुल द्रव्यमान का निर्धारण किया जा सके। जबकि पहला तरीका कणों के क्वांटम चरणों और उनकी प्रकृति के प्रति संवेदनशील है, दूसरा द्रव्यमान पैमाने का सीधा, चरण-स्वतंत्र (phase-independent) मापन प्रदान करता है।

सन यत-सेन विश्वविद्यालय के शोधकर्ता रुइशा यांग और जियाजुन लियाओ ने इस स्टेरिल न्यूट्रिनो परिकल्पना का परीक्षण करने के लिए इन दोनों जांचों को संयोजित किया है। उन्होंने एक विशिष्ट परिदृश्य पर ध्यान केंद्रित किया जहाँ एक चौथा, स्टेरिल न्यूट्रिनो मौजूद है जिसका द्रव्यमान इलेक्ट्रॉन-वोल्ट रेंज में है। उनका कार्य एक महत्वपूर्ण समस्या का समाधान करता है: मानक तीन-न्यूट्रिनो मॉडल में, तीन ज्ञात न्यूट्रिनों के कुछ द्रव्यमान व्यवस्थाओं के लिए न्यूट्रिनोलेस डबल-बीटा क्षय की अनुमानित दर का एक न्यूनतम मान होता है। हालाँकि, यदि एक स्टेरिल न्यूट्रिनो मौजूद है, तो इसका योगदान तीन ज्ञात न्यूट्रिनों के योगदान के साथ विनाशकारी हस्तक्षेप (destructive interference) कर सकता है। यह हस्तक्षेप संकेत को रद्द कर सकता है, जिससे अनुमानित क्षय दर शून्य तक गिर सकती है और इस विधि द्वारा स्टेरिल न्यूट्रिनो को प्रभावी रूप से छिपा सकती है। लेखकों ने जांचा कि क्या बीटा-क्षय द्रव्यमान मापन से प्राप्त स्वतंत्र बाधाएं (constraints) इस रद्दीकरण को रोक सकती हैं, जिससे स्टेरिल न्यूट्रिनो उजागर हो सके।

न्यूट्रिनो दोलन प्रयोगों, जिसमें JUNO डिटेक्टर के पहले परिणाम भी शामिल हैं, से प्राप्त नवीनतम और सटीक डेटा का उपयोग करके, टीम ने इस काल्पनिक स्टेरिल कण के संभावित गुणों का मानचित्र तैयार किया। उन्होंने स्टेरिल न्यूट्रिनो के द्रव्यमान और ज्ञात न्यूट्रिनों के साथ इसके मिश्रण की शक्ति (mixing strength) के लिए अनुमत क्षेत्रों की गणना की। उनके विश्लेषण से पता चला कि बीटा-क्षय प्रयोगों द्वारा निर्धारित तीन हल्के न्यूट्रिनों के द्रव्यमान पर ऊपरी सीमा लगाने से, स्टेरिल न्यूट्रिनो पर प्रतिबंध काफी कड़ा हो जाता है। सक्रिय न्यूट्रिनों के द्रव्यमान को प्रतिबंधित करके, बीटा-क्षय सीमा स्टेरिल न्यूट्रिनो द्वारा किए जा सकने वाले "रद्दीकरण" (cancellation) की मात्रा को कम कर देती है। सरल शब्दों में, यदि ज्ञात न्यूट्रिनो इतने हल्के हैं कि वे एक बड़ा संकेत प्रदान नहीं कर सकते, तो स्टेरिल न्यूट्रिनो उसे शून्य तक रद्द करने के लिए केवल एक विशिष्ट गुण नहीं रख सकता; इसे शेष संकीर्ण संभावनाओं के भीतर फिट होने के लिए विशिष्ट गुण रखने होंगे।

अध्ययन से पता चला कि परिणाम पूरी तरह से न्यूट्रिनो द्रव्यमानों के क्रम (ordering) पर निर्भर करता है। उस परिदृश्य में जहाँ द्रव्यमान एक विशिष्ट क्रम में बढ़ते हैं, जब स्टेरिल द्रव्यमान छोटा होता है, तो स्टेरिल न्यूट्रिनो के लिए क्वांटम चरणों की एक विस्तृत श्रृंखला अनुमत होती है। हालाँकि, जैसे-जैसे स्टेरिल द्रव्यमान बढ़ता है, अनुमत चरण संकुचित होते जाते हैं, जो उस बिंदु के करीब मानों का पक्ष लेते हैं जो विनाशकारी हस्तक्षेप को अधिकतम करता है। वैकल्पिक द्रव्यमान व्यवस्था में, प्रतिबंध और भी सख्त हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि इन्वर्टेड (inverted) द्रव्यमान व्यवस्था के लिए, स्टेरिल न्यूट्रिनो को सक्रिय न्यूट्रिनों से अवशिष्ट संकेत को रद्द करने के लिए पर्याप्त बड़ा होना चाहिए, लेकिन इतना बड़ा भी नहीं कि वह बीटा-क्षय मापों द्वारा निर्धारित सीमाओं को पार कर जाए। उनके द्वारा परीक्षण की गई विशिष्ट स्थितियों के तहत, जिसमें बीटा-क्षदय द्रव्यमान मापन की एक अनुमानित भविष्य की संवेदनशीलता शामिल है, यदि बीटा-क्षय द्रव्यमान सीमा को एक निश्चित स्तर से नीचे धकेल दिया जाता है, तो इन्वर्टेड व्यवस्था के लिए कोई वैध समाधान मौजूद नहीं रहता है।

उनके कार्य का एक प्रमुख अंतर्दृष्टि स्टेरिल न्यूट्रिनो का क्वांटम चरण (quantum phase) है, जो वह गुण है जो यह निर्धारित करता है कि उसका योगदान दूसरों के साथ कैसे हस्तक्षेप करता है। लेखकों ने एक ज्यामितीय दृष्टिकोण का उपयोग करके इस अंतःक्रिया को देखने के लिए किया, जिसमें विभिन्न न्यूट्रिनों के योगदान को एक जटिल तल (complex plane) में वेक्टर्स के रूप में माना गया। उन्होंने दिखाया कि यदि स्टेरिल न्यूट्रिनो को सक्रिय न्यूट्रिनों के संकेत को रद्द करना है, तो उसका चरण दूसरों के सापेक्ष एक बहुत ही विशिष्ट तरीके से संरेखित होना चाहिए। जैसे-जैसे स्टेरिल न्यूट्रिनो भारी होता जाता है, इस रद्दीकरण की अनुमति देने वाले चरणों की सीमा सिकुड़ती जाती है। यदि क्षय दर की प्रयोगात्मक सीमाएं अधिक सख्त हो जाती हैं, तो चरणों की अनुमत सीमा और भी संकीर्ण हो जाती है, जिससे रद्दीकरण की संभावना पूरी तरह से समाप्त हो जाती है। यह ज्यामितीय संबंध स्पष्ट रूप से बताता है कि क्यों द्रव्यमान और चरण के कुछ संयोजन अनुमत हैं जबकि अन्य वर्जित हैं।

शोधकर्ताओं ने यह भी जांचा कि JUNO प्रयोग से प्राप्त नए डेटा ने, जिसने ज्ञात न्यूट्रिनों के मापन की सटीकता में सुधार किया है, इन परिणामों को कैसे प्रभावित किया है। उन्होंने पाया कि जबकि अपडेट किए गए डेटा ने अनुमत क्षेत्रों में अनिश्चितता को थोड़ा कम किया है, विशेष रूप से इन्वर्टेड द्रव्यमान व्यवस्था के लिए, लेकिन मुख्य चालक दो अलग-अलग प्रयोगात्मक विधियों का संयोजन है। न्यूट्रिनोलेस डबल-बीटा क्षय सीमाओं और बीटा-क्षय द्रव्यमान सीमाओं के बीच का तालमेल एक बहुत ही कड़ा जाल बनाता है जो अकेले किसी भी विधि द्वारा बुना नहीं जा सकता था। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि बीटा-क्षय द्रव्यमान को उच्च सटीकता के साथ मापने में सक्षम भविष्य के प्रयोग, जैसे कि प्रोजेक्ट 8, अत्यंत महत्वपूर्ण होंगे। यदि ये प्रयोग यह पुष्टि करने में सक्षम होते हैं कि हल्के न्यूट्रिनो एक विशिष्ट मान से कम हैं, तो वे प्रभावी रूप से इन्वर्टेड द्रव्यमान व्यवस्था में विनाशकारी हस्तक्षेप के माध्यम से स्टेरिल न्यूट्रिनो के छिपने की संभावना को खारिज कर देंगे, और सामान्य व्यवस्था (normal ordering) के लिए पैरामीटर स्पेस को गंभीर रूप से प्रतिबंधित कर देंगे।

यह कार्य यह प्रदर्शित करता है कि स्टेरिल न्यूट्रिनो की खोज केवल एक संकेत खोजने के बारे में नहीं है, बल्कि यह समझने के बारे में भी है कि पहेली के विभिन्न टुकड़े एक साथ कैसे फिट बैठते हैं। फेज-सेंसिटिव (phase-sensitive) जानकारी वाले डबल-बीटा क्षय को फेज-इंडिपेंडेंट (phase-independent) बीटा-क्षय द्रव्यमान सीमाओं के साथ जोड़कर, भौतिक विज्ञानी अभूतपूर्व कठोरता के साथ स्टेरिल न्यूट्रिनो परिकल्पना का परीक्षण कर सकते हैं। निष्कर्ष बताते हैं कि यदि इलेक्ट्रॉन-वोल्ट रेंज में एक स्टेरिल न्यूट्रिनो मौजूद है, तो उसे द्रव्यमान, मिश्रण की शक्ति और क्वांटम चरण के संबंध में बहुत विशिष्ट गुण रखने होंगे। यह अध्ययन अस्तित्व को सिद्ध नहीं करता है, न ही यह इसे निश्चित रूप से खारिज करता है, बल्कि यह एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करता है कि कैसे भविष्य का डेटा या तो इसकी उपस्थिति की पुष्टि करेगा या इस विशेष सिद्धांत के संस्करण पर दरवाजा बंद कर देगा। दो अलग-अलग प्रयोगात्मक मोर्चों के बीच की परस्पर क्रिया पदार्थ की मौलिक प्रकृति और ब्रह्मांड के छिपे हुए क्षेत्रों की जांच करने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण प्रदान करती है।