Indication of Electron Antineutrinos from the Diffuse Supernova Neutrino Background
सुपर-कामाओकांडी ने 5003-दिवसीय डेटासेट के आधार पर डिफ्यूज सुपरनोवा न्यूट्रिनो बैकग्राउंड (DSNB) से इलेक्ट्रॉन एंटीन्यूट्रिनो का संकेत रिपोर्ट किया है, जिससे 13.3 MeV से ऊपर की ऊर्जाओं के लिए का एक सर्वोत्तम-फिट फ्लक्स प्राप्त हुआ है।
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पृथ्वी की पपड़ी में गहराई में, जापान के एक पहाड़ के नीचे, अत्यंत शुद्ध जल का एक विशाल टैंक अंधेरे में प्रतीक्षा कर रहा है। यह सुपर-कमीओकांडे डिटेक्टर है, जो ब्रह्मांड से आने वाली सबसे मंद फुसफुसाहटों को पकड़ने के लिए डिज़ाइन किया गया एक विशाल उपकरण है। दशकों से, वैज्ञानिक जानते हैं कि जब विशाल तारे अपना ईंधन समाप्त कर देते हैं और ढह जाते हैं, तो वे सुपरनोवा के रूप में फट जाते हैं, जिससे न्यूट्रिनो नामक भूतिया कणों की एक अकल्पनीय बाढ़ निकलती है। हालांकि हमने एक पास के विस्फोट से निकलने वाले न्यूट्रिनो की दुर्लभ, चमकीली चमक को पकड़ा है, लेकिन ब्रह्मांड एक बहुत अधिक शांत, स्थिर गुनगुनाहट से भरा हुआ है। यह 'डिफ्यूज सुपरनोवा न्यूट्रिनो बैकग्राउंड' (diffuse supernova neutrino background) है, जो ब्रह्मांड की शुरुआत से हुए हर तारे के ढहने से निकलने वाले कणों की एक निरंतर वर्षा है। इस बैकग्राउंड को पकड़ना एक भीड़ भरे स्टेडियम में एक अकेली आवाज को सुनने की कोशिश करने जैसा है; संकेत अविश्वसनीय रूप से मंद है, और अन्य स्रोतों से होने वाला शोर अत्यधिक है। फिर भी, इस बैकग्राउंड को समझना महत्वपूर्ण है क्योंकि इसमें तारों के मरने, भारी तत्वों के निर्माण और अरबों वर्षों में ब्रह्त्व के विकास के इतिहास का रहस्य छिपा है।
वर्षों से, शोधकर्ता इस मंद संकेत को खोजने का प्रयास कर रहे हैं, लेकिन बैकग्राउंड का शोर सत्य को शोर (static) से अलग करने के लिए बहुत अधिक था। अब, सुपर-कमीओकांडे डिटेक्टर का उपयोग करने वाली वैज्ञानिकों की एक टीम ने रिपोर्ट किया है कि उन्हें पहली बार एक मजबूत संकेत मिला है कि उन्होंने अंततः इसे खोज लिया है। तेरह वर्षों से अधिक के दौरान एकत्र किए गए डेटा का विश्लेषण करके, उन्होंने एक ऐसा पैटर्न पहचाना है जो उस चीज़ से मेल खाता है जिसकी हम ब्रह्मांड के मृत होते सितारों से आने वाले एंटीन्यूट्रिनो की निरंतर वर्षा से अपेक्षा करते हैं। टीम ने केवल कुछ अतिरिक्त घटनाओं को नहीं गिना; उन्होंने ऊर्जा स्पेक्ट्रम के आकार को बैकग्राउंड शोर के ज्ञात पैटर्न के विरुद्ध फिट करने के लिए एक जटिल सांख्यिकीय विश्लेषण किया। उनके परिणाम एक ऐसे संकेत को दर्शाते हैं जिसके संयोग होने की संभावना बहुत कम है, जो लगभग 3.6 कण प्रति वर्ग सेंटीमीटर प्रति सेकंड के प्रवाह का सुझाव देता है, उन कणों के लिए जिनके पास पता लगाने के लिए पर्याप्त ऊर्जा है। यह खोज एक महत्वपूर्ण प्रगति का प्रतिनिधित्व करती है, जो खोज को घास के ढेर में सुई खोजने से बदलकर उस क्षण में ले आती है जहाँ सुई घास के बीच दिखने लगती है।
इस खोज में चुनौती यह है कि ब्रह्मांड उन अन्य कणों से भरा हुआ है जो मरने वाले सितारों से आने वाले कणों के बहुत समान दिखते हैं। वायुमंडल से टकराने वाली कॉस्मिक किरणें कणों की एक बौछार पैदा करती हैं जो डिटेक्टर पर बरसती हैं, और चट्टान एवं पानी के भीतर रेडियोधर्मी तत्व अपना स्वयं का शोर पैदा करते हैं। संकेत को खोजने के लिए, शोधकर्ताओं को घटाव (subtraction) का विशेषज्ञ बनना पड़ा। उन्होंने एक दूरस्थ सुपरनोवा से आने वाले कण और एक स्थानीय कॉस्मिक रे (cosmic ray) के कण के बीच अंतर करने के लिए अपने तरीकों को परिष्कृत करने में वर्षों बिताए। इस प्रयास में एक प्रमुख सफलता टैंक के पानी में एक विशेष रसायन मिलाने से मिली। पानी में दुर्लभ मृदा तत्व, गैडोलीनियम (gadolinium) की एक छोटी मात्रा घोलकर, टीम ने डिटेक्टर को न्यूट्रॉन को पहचानने में बहुत बेहतर बना दिया। जब एक सुपरनोवा एंटीन्यूट्रिनो पानी में एक प्रोटॉन से टकराता है, तो वह एक पॉज़िट्रॉन (positron) और एक न्यूट्रॉन बनाता है। पॉज़िट्रॉन तुरंत चमकता है, लेकिन न्यूट्रॉन एक सेकंड के अंश बाद पकड़ा जाता है, जिससे दूसरा, विलंबित फ्लैश (flash) उत्पन्न होता है। यह दो-चरणीय हस्ताक्षर (signature) संकेत की पहचान है। गैडोलीनियम ने इस दूसरे फ्लैश को पकड़ने में बहुत अधिक चमकीला और आसान बना दिया, जिससे टीम को बैकग्राउंड शोर के एक बड़े हिस्से को फ़िल्टर करने में मदद मिली जिसने पहले दृश्य को बाधित कर दिया था।
न्यूट्रॉन को टैग करने की इस बेहतर क्षमता के साथ, टीम पहले की तुलना में ऊर्जा की एक विस्तृत श्रृंखला और लंबे समय तक देख सकी। उन्होंने अवलोकन के पांच हजार से अधिक दिनों के डेटा का विश्लेषण किया, जिसमें डिटेक्टर के संचालन के विभिन्न चरण शामिल थे। उन्होंने दूरस्थ सुपरनोवा से आने वाले संकेतों और बैकग्राउंड शोर के बीच अंतर करने के लिए उन्नत कंप्यूटर एल्गोरिदम का उपयोग किया। उन्होंने शेष शोर, जैसे कि कॉस्मिक किरणों द्वारा बनाए गए रेडियोधर्मी आइसोटोप के क्षय को मॉडल करने के नए तरीके भी विकसित किए, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि उनके अनुमान यथासंभव सटीक हों। जब उन्होंने अपने अवलोकनों की तुलना अपेक्षित बैकग्राउंड से की, तो उन्हें घटनाओं का एक छोटा लेकिन स्पष्ट अतिरिक्त (excess) मिला। यह अतिरिक्त केवल एक यादृच्छिक उभार नहीं था; यह ऊर्जा वितरण का पालन करता था जिसकी भविष्यवाणी डिफ्यूज सुपरनोवा न्यूट्रिनो बैकग्राउंड के मॉडलों द्वारा की गई थी। सांख्यिकीय विश्लेषण ने दिखाया कि यदि कोई संकेत मौजूद नहीं है, तो इस परिणाम के दुर्घटना से होने की संभावना दो सौ में से एक से भी कम है।
टीम के निष्कर्ष निर्णायक प्रमाण नहीं हैं, लेकिन वे एक सम्मोहक संकेत हैं। कण भौतिकी की दुनिया में, एक परिणाम को अक्सर तभी खोज माना जाता है जब इसके संयोग होने की संभावना लाखों में एक हो। यह परिणाम, जो लगभग ढाई मानक विचलन (standard deviations) के विश्वास स्तर के अनुरूप है, एक मजबूत सुझाव है कि संकेत वास्तविक है। यह उस प्रकार का परिणाम है जो वैज्ञानिकों को बताता है कि वे सही रास्ते पर हैं और थोड़े और डेटा के साथ, तस्वीर स्पष्ट हो जाएगी। शोधकर्ताओं ने विभिन्न सैद्धांतिक मॉडलों का परीक्षण करके अपने काम की जांच भी की कि संकेत कैसा दिखना चाहिए, और हर मामले में, डेटा उसी निष्कर्ष की ओर इशारा करता है। जो संकेत उन्हें मिला है, वह पिछले सिद्धांतों द्वारा की गई भविष्यवाणियों के ऊपरी स्तर के अनुरूप है, जो यह सुझाव देता है कि ब्रह्मांड इन कणों का थोड़ा अधिक उत्पादन कर रहा है जैसा कि कुछ मॉडलों ने अनुमान लगाया था।
यह कार्य विज्ञान में धैर्य और सटीकता की शक्ति का प्रमाण है। सुपर-कमीओकांडे डिटेक्टर दशकों से चल रहा है, और टीम की गैडोलीनियम जोड़कर और अपनी विश्लेषण तकनीकों को परिष्कृत करके समय के साथ अपनी संवेदनशीलता में सुधार करने की क्षमता ने अंततः उन्हें वह देखने दिया जो पहले छिपा हुआ था। डिफ्यूज सुपरनोवा न्यूट्रिनो बैकग्राउंड का पता लगाना ब्रह्मांड में एक नया द्वार खोल देगा, जिससे खगोलविदों को प्रकाश के माध्यम से संभव नहीं है, उस तरह से तारों के निर्माण के इतिहास और तारों के मरने का अध्ययन करने की अनुमति मिलेगी। हालांकि वर्तमान परिणाम पुष्टि के बजाय एक संकेत है, यह वैज्ञानिक समुदाय को उस लक्ष्य के करीब लाता है। जैसे-जैसे डिटेक्टर डेटा एकत्र करना जारी रखता है, संकेत के और स्पष्ट होने की उम्मीद है, जो इस संकेत को एक निर्णायक खोज में बदल देगा जो जीवन और मृत्यु के ब्रह्मांडीय चक्र के बारे में हमारी समझ को नया रूप देगी।
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