Analysis of CONUS+ run 2: Detector performance, background model and CE$\nu$NS measurement

न्यूट्रिनो ब्रह्मांड में सबसे प्रचुर मात्रा में मौजूद कण हैं, फिर भी वे सबसे मायावी भी हैं। वे ग्रहों, सितारों और मानव शरीरों के बीच से बिना कोई निशान छोड़े गुजर जाते हैं, वे पदार्थ के साथ इतनी कम अंतःक्रिया करते हैं कि उन्हें पकड़ने के लिए आमतौर पर तरल के विशाल टैंकों या जमीन के नीचे दबे विशाल डिटेक्टरों की आवश्यकता होती है। दशकों से, भौतिक विज्ञानी इन भूतिया कणों की एक झलक पाने के लिए इन विशाल उपकरणों पर भरोसा करते आए हैं। हालाँकि, 'कोहेरेंट इलास्टिक न्यूट्रिनो-न्यूक्लियस स्कैटरिंग' नामक एक विशिष्ट प्रकार की अंतःक्रिया एक अलग मार्ग प्रदान करती है। इस दुर्लभ घटना में, एक न्यूट्रिनो इसके भीतर के किसी एकल कण के बजाय एक पूरे परमाणु नाभिक (एटमिक न्यूक्लियस) से एक साथ टकराता है, जिससे पूरा नाभिक पीछे हट जाता है (रिकोइल करता है)। क्योंकि न्यूट्रिनो पूरे नाभिक को धक्का देता है, इसलिए बल सामान्य से बहुत अधिक होता है, लेकिन इसके परिणामस्वरूप होने वाली गति अविश्वसनीय रूप से सूक्ष्म होती है। इसे देखने के लिए, वैज्ञानिकों को ऐसे डिटेक्टर बनाने की आवश्यकता है जो एक एकल परमाणु की चौड़ाई से भी छोटे कंपन को महसूस करने के लिए पर्याप्त संवेदनशील हों, और साथ ही अपने उपकरण को पूरी तरह से शांत रखना होगा ताकि बैकग्राउंड शोर सिग्नल को दबा न दे।

एक शोध दल ने, जो स्विट्जरलैंड में एक परमाणु ऊर्जा संयंत्र के भीतर स्थित CONUS+ प्रयोग का हिस्सा है, अगली पीढ़ी के डिटेक्टरों का उपयोग करके इस धुंधले सिग्नल को सफलतापूर्वक कैप्चर किया है। अपने उपकरणों को बड़े, अधिक संवेदनशील क्रिस्टल के साथ अपग्रेड करके, वे रिएक्टर कोर से निकलने वाले एंटीन्यूट्रिनों के कारण जर्मेनियम परमाणुओं के रिकोइल को देखने में सक्षम हुए। टीम ने डेटा का विश्लेषण किया जो रिएक्टर के चलने के दौरान 1,296 दिनों के एक्सपोजर के बराबर था। उनके विश्लेषण ने घटनाओं की एक स्पष्ट अधिकता (एक्सेस) प्रकट की जो न्यूट्रिनो के अनुमानित व्यवहार से मेल खाती थी, जिससे 1,555 सिग्नल घटनाओं की उपस्थिति की पुष्टि हुई, जिसमें सांख्यिकीय निश्चितता इतनी अधिक है कि संयोग की कोई गुंजाइश नहीं बचती। यह परिणाम भौतिकी के मानक अनुमानों के अनुरूप है, जो यह दर्शाता है कि ये छोटे डिटेक्टर अब बहुत बड़े प्रयोगों के बराबर सटीकता के साथ न्यूट्रिनो के गुणों को माप सकते हैं।

यह प्रयोग लाइबस्टाड (Leibstadt) परमाणु ऊर्जा संयंत्र के कोर से मात्र 20 मीटर की दूरी पर स्थित है, जो इसे एंटीन्यूट्रिनों से भरे वातावरण में रखता है। नाभिक के रिकोइल के धुंधले सिग्नल को पकड़ने के लिए, शोधकर्ताओं को अपने डिटेक्टरों के ऊर्जा थ्रेशोल्ड को उस स्तर तक कम करने की आवश्यकता थी जहाँ सबसे छोटे कंपन भी रिकॉर्ड किए जा सकें। अपने संचालन के पहले चरण में, उन्होंने एक किलोग्राम प्रत्येक के डिटेक्टरों का उपयोग किया था। इस दूसरे रन के लिए, उन्होंने उनमें से तीन को प्रत्येक 2.42 किलोग्राम के नए डायोड से बदल दिया। इन बड़े क्रिस्टल ने एक महत्वपूर्ण लाभ दिया: क्योंकि उनका द्रव्यमान उनकी सतह क्षेत्र के सापेक्ष अधिक है, इसलिए वे सामग्री की सतह से आने वाले बैकग्राउंड शोर से कम प्रभावित होते हैं। इस डिज़ाइन परिवर्तन ने नए डिटेक्टरों को प्रति इकाई द्रव्यमान के आधार पर बैकग्राउंड स्तर को मूल डिटेक्टरों की तुलना में लगभग आधा करने की अनुमति दी, जबकि 140 से 170 इलेक्ट्रॉन-वोल्ट जितने छोटे ऊर्जा जमाव को पहचानने की क्षमता बनाए रखी।

टीम को कॉस्मिक किरणों (जो पृथ्वी के वायुमंडल से टकराती हैं) या आसपास की चट्टानों और उपकरणों में प्राकृतिक रेडियोधर्मिता जैसे विभिन्न बैकग्राउंड स्रोतों से वास्तविक न्यूट्रिनो सिग्नल को अलग करने की चुनौती का सामना करना पड़ा। इसे हल करने के लिए, उन्होंने बाहरी विकिरण को रोकने के लिए लेड (सीसा), पॉलीथीन और बोरेटेड पॉलीथीन का उपयोग करके अपने डिटेक्टरों के चारों ओर एक बहु-परतीय कवच बनाया। उन्होंने सेटअप के चारोंക്ക് प्लास्टिक स्किंटिलेटर प्लेटों से भी घेरा बनाया जो एक वॉचडॉग की तरह कार्य करती हैं, जो सुविधा से गुजरने वाले कॉस्मिक म्यूऑन्स द्वारा उत्पन्न होने वाली किसी भी घटना की तुरंत पहचान कर उसे खारिज कर देती हैं। डिटेक्टरों को रेडॉन-मुक्त वातावरण में रखा गया था और इलेक्ट्रॉनिक शोर को कम करने के लिए अत्यधिक कम तापमान तक ठंडा किया गया था। डेटा संग्रह की पूरी अवधि के दौरान, जो 2025 की शुरुआत में शुरू हुई थी, शोधकर्ताओं ने अपने उपकरणों की स्थिरता की निगरानी की, यह सुनिश्चित करते हुए कि तापमान में उतार-चढ़ाव या बिजली की समस्याएँ परिणामों को विकृत न करें। उन्होंने बिजली कटौती के बाद डेटा संग्रह को भी रोका ताकि सिस्टम को पुनः कैलिब्रेट किया जा सके, जिससे यह सुनिश्चित हो सके कि अंतिम विश्लेषण के लिए केवल सबसे विश्वसनीय डेटा का ही उपयोग किया गया है।

एक बार डेटा एकत्र हो जाने के बाद, शोधकर्ताओं ने उन घटनाओं को हटाने के लिए कई कठोर फिल्टर लागू किए जो एक वास्तविक न्यूट्रिनो अंतःक्रिया की तरह नहीं दिखती थीं। उन्होंने प्रत्येक घटना से उत्पन्न होने वाले विद्युत संकेतों के आकार का विश्लेषण किया, यह जाँचने के लिए कि क्या उनमें एक एकल, स्वच्छ हिट के लक्षण हैं या कई कणों या सतह के शोर से जुड़ी एक अव्यवस्थित अंतःक्रिया के। उन्होंने रिएक्टर के चलने के दौरान एकत्र किए गए डेटा की तुलना रिएक्टर के बंद होने के दौरान एकत्र किए गए डेटा से भी की। चूंकि रिएक्टर ही एंटीन्यूट्रिनों का स्रोत है, इसलिए कोई भी सिग्नल जो केवल रिएक्टर के सक्रिय होने पर दिखाई देता है और बंद होने पर गायब हो जाता है, वह न्यूट्रिनो से संबंधित होना चाहिए। इस तुलना ने उन्हें उच्च विश्वास के साथ बैकग्राउंड से सिग्नल को अलग करने की अनुमति दी।

अंतिम विश्लेषण ने एक निर्णायक परिणाम दिया। टीम ने 1,555 घटनाओं की गणना की जिन्हें उन्होंने कोहेरेंट इलास्टिक न्यूट्रिनो-न्यूक्लियस स्कैटरिंग के रूप में पहचाना, जिसमें अनिश्चितता 152 घटनाओं की थी। यह संख्या 10.2 सिग्मा की सांख्यिकीय सार्थकता (statistical significance) के बराबर है, जो एक ऐसी निश्चितता का पैमाना है जो यह संकेत देता है कि इस परिणाम के यादृच्छिक संयोग होने की संभावना नगण्य है। देखी गई घटनाओं की संख्या भौतिक विज्ञान के स्टैंडर्ड मॉडल द्वारा अनुमानित 1,701 घटनाओं के बहुत करीब थी, जिसमें देखे गए और अनुमानित मूल्यों का अनुपात 0.91 था। यह सहमति बताती है कि न्यूट्रिनो पदार्थ के साथ कैसे अंतःक्रिया करते हैं, इसकी वर्तमान समझ सही है। शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि उनका माप डेटा के सांख्यिकी (statistics) द्वारा अधिक सीमित था, न कि व्यवस्थित त्रुटियों (systematic errors) द्वारा, जिसका अर्थ है कि भविष्य में अधिक डेटा एकत्र करने से माप की सटीकता में सीधे सुधार होगा।

यह सफलता CONUS+ प्रयोग के लिए एक प्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट अध्ययन से एक परिशुद्ध माप (precision measurement) के उपकरण के रूप में संक्रमण का प्रतीक है। बड़े डिटेक्टरों के अपग्रेड ने न केवल सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात में सुधार किया, बल्कि न्यूट्रिनों के मौलिक गुणों के परीक्षण के लिए एक अधिक मजबूत डेटासेट भी प्रदान किया। टीम डेटा लेना जारी रखने की योजना बना रही है, जिसका लक्ष्य सांख्यिकीय अनिश्चितताओं को और कम करने के लिए और भी अधिक एक्सपोजर एकत्र करना है। अपने बैकग्राउंड मॉडल को परिष्कृत करके और शोर को फ़िल्टर करने के लिए संभावित रूप से अतिरिक्त तकनीकों को लागू करके, वे इन मापों की सटीकता को और आगे बढ़ाने की आशा करते हैं। यह कार्य उन प्रश्नों को खोजने के लिए नए भौतिकी (new physics) के द्वार खोलता है जो वर्तमान स्टैंडर्ड मॉडल से परे हैं, जिसमें किलोग्राम-स्केल के कॉम्पैक्ट डिटेक्टरों का उपयोग करके उन सवालों की खोज की जा सकती है जिनके लिए पहले विशाल, मल्टी-टन सुविधाओं की आवश्यकता होती थी। अपेक्षाकृत छोटे सेटअप में इन अंतःक्रियाओं को इतनी स्पष्टता के साथ मापने की क्षमता न्यूट्रिनो भौतिकी के क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण प्रगति का प्रतिनिधित्व करती है।