8 परियोजना न्यूट्रिनो के द्रव्यमान को मापने में एक महत्वपूर्ण मील का पत्थर है। न्यूट्रिनो मायावी उपपरमाण्विक कण हैं जो सहजता से सामान्य पदार्थ से गुजरते हैं और हमारे ब्रह्मांड को बनाने वाले कणों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। हमारे ब्रह्मांड का निर्माण कैसे हुआ, इसे पूरी तरह से समझाने के लिए हमें इसका द्रव्यमान जानने की आवश्यकता है। लेकिन, हममें से कई लोगों की तरह, यह वज़न से बचने के तरीके ढूंढ रहा है।
2022 में, KATRIN अनुसंधान टीम ने न्यूट्रिनो कितना विशाल हो सकता है इसकी ऊपरी सीमा निर्धारित की। यह ऐतिहासिक उपलब्धि दशकों की कड़ी मेहनत का परिणाम थी। लेकिन ये परिणाम केवल खोज विंडो को संकीर्ण करते हैं। कैटरिन जल्द ही पहुंच जाएगी और यहां तक कि एक दिन में अपने लक्ष्य का पता लगाने की सीमा को पार कर जाएगी, लेकिन फेदरवेट न्यूट्रिनो और भी हल्का हो सकता है, जो सवाल उठाता है: "आगे क्या है? आगे क्या है?"
TA GPH22यहां देखी गई साइक्लोट्रॉन विकिरण उत्सर्जन स्पेक्ट्रोस्कोपी (CRES) मायावी न्यूट्रिनो के द्रव्यमान को निर्धारित करने के उद्देश्य से एक पूरी तरह से नए दृष्टिकोण की कुंजी है। स्रोत: एलेक लिंडमैन, प्रोजेक्ट 8 टीम
भूत कणों को ट्रैक करना
नवीनतम शोध में, प्रोजेक्ट 8 टीम ने फिजिकल रिव्यू लेटर्स जर्नल में रिपोर्ट दी है कि वे बीटा क्षय नामक प्राकृतिक घटना को विश्वसनीय रूप से ट्रैक और रिकॉर्ड करने के लिए एक पूरी तरह से नई तकनीक का उपयोग कर सकते हैं। जब हाइड्रोजन का एक दुर्लभ रेडियोधर्मी संस्करण - ट्रिटियम - तीन उपपरमाण्विक कणों में विघटित होता है: हीलियम आयन, इलेक्ट्रॉन और न्यूट्रिनो, तो प्रत्येक क्षय से थोड़ी मात्रा में ऊर्जा निकलती है।
प्रोजेक्ट 8 की अंतिम सफलता एक महत्वाकांक्षी योजना पर निर्भर करती है। सीधे न्यूट्रिनो का पता लगाने की कोशिश करने के बजाय - जो बिना किसी कठिनाई के अधिकांश डिटेक्टर प्रौद्योगिकियों से गुजर सकता है - टीम ने एक सरल माप रणनीति का उपयोग किया जिसे निम्नानुसार संक्षेपित किया जा सकता है:
आइंस्टीन ने हमें बताया कि ट्रिटियम परमाणु का कुल द्रव्यमान उसके भागों की ऊर्जा के बराबर है। जब हम बीटा क्षय द्वारा उत्पन्न मुक्त इलेक्ट्रॉनों को मापते हैं, तो हम कुल द्रव्यमान जानते हैं, और "लापता" ऊर्जा न्यूट्रिनो का द्रव्यमान और गति है।
ऊर्जा विभाग के पेसिफिक नॉर्थवेस्ट नेशनल लेबोरेटरी में प्रोजेक्ट 8 के प्रमुख शोधकर्ताओं में से एक, ब्रेंट वानडेवेंडर ने कहा: "सिद्धांत रूप में, जैसे-जैसे तकनीक विकसित होती है और बढ़ती है, न्यूट्रिनो के द्रव्यमान को निर्धारित करने के लिए आवश्यक सीमा तक पहुंचना संभव हो सकता है।"
प्रोजेक्ट 8 क्यों?
शोधकर्ताओं ने इस महत्वाकांक्षी रणनीति को आगे बढ़ाने का फैसला किया क्योंकि उन्होंने पेशेवरों और विपक्षों की जांच की थी और निष्कर्ष निकाला था कि यह संभव था।
तालिया वीस येल विश्वविद्यालय में परमाणु भौतिकी में स्नातक छात्र हैं। उन्होंने और उनके प्रोजेक्ट 8 सहयोगियों ने इलेक्ट्रॉनिक पृष्ठभूमि शोर से इलेक्ट्रॉनिक संकेतों को सटीक रूप से अलग करने के तरीके का अध्ययन करने में वर्षों बिताए हैं। क्रिस्टीन क्लासेन्स वाशिंगटन विश्वविद्यालय में पोस्टडॉक हैं। उन्होंने जर्मनी में मेनज़ विश्वविद्यालय में प्रोजेक्ट 8 से पीएचडी प्राप्त की। वीस और क्लेसेन्स ने दो अंतिम विश्लेषण किए, जिसमें नई तकनीक से प्राप्त न्यूट्रिनो द्रव्यमान पर पहली बाधा डाली गई।
"न्यूट्रिनो अविश्वसनीय रूप से हल्का है। यह एक इलेक्ट्रॉन की तुलना में 500,000 गुना अधिक हल्का है। इसलिए जब एक न्यूट्रिनो और एक इलेक्ट्रॉन एक ही समय में उत्पन्न होते हैं, तो न्यूट्रिनो द्रव्यमान का इलेक्ट्रॉन की गति पर न्यूनतम प्रभाव पड़ता है। हम इस छोटे से प्रभाव को देखना चाहते हैं। इसलिए हमें यह मापने के लिए एक सुपर-सटीक तरीके की आवश्यकता है कि इलेक्ट्रॉन कितनी तेजी से घूम रहा है," वीस ने कहा।
8 परियोजना ऐसी ही एक तकनीक पर निर्भर करती है, जिसकी कल्पना एक दशक से भी अधिक समय पहले भौतिकविदों जो फॉर्मैगियो और बेन मोन्रियल ने की थी, जो उस समय एमआईटी में थे। एक अंतरराष्ट्रीय टीम ने इस विचार के इर्द-गिर्द एकजुट होकर विचार को एक व्यावहारिक उपकरण में बदलने के लिए प्रोजेक्ट 8 का गठन किया। परिणामी विधि को साइक्लोट्रॉन विकिरण उत्सर्जन स्पेक्ट्रोस्कोपी (सीआरईएस) कहा जाता है। यह चुंबकीय क्षेत्र में घूमते समय नवजात इलेक्ट्रॉनों द्वारा उत्सर्जित माइक्रोवेव विकिरण को पकड़ लेता है। ये इलेक्ट्रॉन बीटा क्षय के दौरान निकलने वाली अधिकांश ऊर्जा को ले जाते हैं, लेकिन पूरी नहीं। यह लुप्त ऊर्जा ही है जो न्यूट्रिनो के द्रव्यमान को प्रकट करती है। यह पहली बार है कि ट्रिटियम के बीटा क्षय को मापने और न्यूट्रिनो के द्रव्यमान पर ऊपरी सीमा निर्धारित करने के लिए सीआरईएस तकनीक का उपयोग किया गया है।
वैज्ञानिक न्यूट्रिनो का वजन कैसे करते हैं? छवि स्रोत: पैसिफिक नॉर्थवेस्ट नेशनल लेबोरेटरी में सारा लेविन द्वारा निर्मित एनीमेशन
नवीन तरीके और चुनौतियाँ
अनुसंधान टीम केवल इन इलेक्ट्रॉनों को ट्रैक करने में रुचि रखती थी क्योंकि उनकी ऊर्जा न्यूट्रिनो के द्रव्यमान को प्रकट करने के लिए महत्वपूर्ण है। जबकि इस रणनीति का उपयोग पहले भी किया जा चुका है, सीआरईएस डिटेक्टर द्वारा मापी गई इलेक्ट्रॉन ऊर्जा इतनी महत्वपूर्ण है कि इसकी स्केलेबिलिटी क्षमता किसी भी मौजूदा तकनीक से अधिक है। और यह स्केलेबिलिटी प्रोजेक्ट 8 को अलग करती है। एलिस नोवित्स्की वाशिंगटन विश्वविद्यालय में सहायक प्रोफेसर हैं और उन्होंने नए प्रकाशित काम के कई पहलुओं का नेतृत्व किया है।
नोवित्ज़की ने कहा: "कोई भी ऐसा नहीं कर रहा है। हम मौजूदा तकनीक नहीं ले रहे हैं और इसे थोड़ा बदलने की कोशिश कर रहे हैं। हम एक तरह से वाइल्ड वेस्ट में हैं।"
सिएटल में वाशिंगटन विश्वविद्यालय के नवीनतम प्रयोग में, टीम ने 82-दिवसीय प्रायोगिक विंडो में मटर के आकार के नमूना सेल में 3,770 ट्रिटियम बीटा क्षय घटनाओं को ट्रैक किया। नमूना सेल को क्रायोजेनिक रूप से ठंडा किया जाता है और एक चुंबकीय क्षेत्र में रखा जाता है जो लंबे समय तक उभरते इलेक्ट्रॉनों को पकड़ता है, जिससे सिस्टम के रिकॉर्डिंग एंटीना को माइक्रोवेव सिग्नल रिकॉर्ड करने की अनुमति मिलती है।
सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि टीम ने शून्य गलत सिग्नल या पृष्ठभूमि घटनाएं दर्ज कीं जिन्हें वास्तविक सिग्नल समझने की भूल नहीं की जा सकती। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि बहुत छोटी पृष्ठभूमि भी न्यूट्रिनो द्रव्यमान संकेत को छुपा सकती है, जिससे उपयोगी संकेत की व्याख्या करना अधिक कठिन हो जाता है।
पीएनएनएल प्रायोगिक भौतिक विज्ञानी नूह ओब्लाथ के नेतृत्व में प्रोजेक्ट 8 के शोधकर्ताओं ने कच्चे डेटा लेने और इसे संकेतों में परिवर्तित करने के लिए विशेष सॉफ्टवेयर का एक सूट भी विकसित किया है - प्रत्येक का नाम विभिन्न कीड़ों के नाम पर रखा गया है जिसका विश्लेषण किया जा सकता है। प्रोजेक्ट इंजीनियरों ने भी प्रोजेक्ट 8 को सफल बनाने के लिए अपनी सूझ-बूझ से काम लिया और विभिन्न भागों का आविष्कार किया।
नोवित्ज़की ने कहा: "हमारे इंजीनियर इस काम के लिए महत्वपूर्ण हैं। एक इंजीनियर के नजरिए से, यह एक आम आदमी का दृष्टिकोण है। प्रायोगिक भौतिकी भौतिकी और इंजीनियरिंग के इंटरफेस पर है। आपको इन चीजों को घटित करने के लिए व्यावहारिक दिमाग वाले भौतिकविदों के साथ विशेष साहसी इंजीनियरों की टीम बनानी होगी क्योंकि वे नहीं हैं पाठ्यपुस्तकों में.अब जब अनुसंधान टीम ने प्रदर्शित कर दिया है कि उनका डिज़ाइन और प्रायोगिक प्रणाली ट्रिटियम अणुओं के साथ काम कर सकती है, तो उनके सामने एक जरूरी काम है। टीम का एक हिस्सा अगले चरण पर काम कर रहा है: एक ऐसी प्रणाली का निर्माण करना जो व्यक्तिगत ट्रिटियम परमाणुओं को उत्पन्न, ठंडा और कैप्चर कर सके। यह कदम मुश्किल है क्योंकि ट्रिटियम, अपने अधिक प्रचुर चचेरे भाई हाइड्रोजन की तरह, अणु बनाना पसंद करता है। ये अणु प्रोजेक्ट 8 टीम के अंतिम लक्ष्य को हासिल करना असंभव बना देंगे। मेनज़ विश्वविद्यालय के भौतिकविदों के नेतृत्व में, शोधकर्ता मैग्नेट की एक जटिल श्रृंखला का उपयोग करके परमाणु ट्रिटियम बनाने और कैप्चर करने के लिए एक परीक्षण बिस्तर विकसित कर रहे हैं। यह परमाणु ट्रिटियम को नमूना कोशिका दीवारों के संपर्क में आने से रोकता है - क्योंकि यह लगभग निश्चित रूप से कोशिका दीवार पर अपने आणविक रूप में वापस आ जाएगा।
इस तकनीक में प्रगति, पूरे उपकरण के उन्नयन के साथ, कैटरिन टीम द्वारा हासिल की गई संवेदनशीलता तक पहुंचने और अंततः उससे आगे निकलने में महत्वपूर्ण कदम होंगे।
वर्तमान में, दस अनुसंधान संस्थानों के सदस्यों से बनी एक शोध टीम एक मटर के आकार के नमूना कक्ष से एक हजार गुना बड़े प्रयोगों को बढ़ाने के लिए डिजाइन का परीक्षण कर रही है। अधिक बीटा क्षय घटनाओं को पकड़ने के लिए बड़े श्रवण उपकरणों का उपयोग करने का विचार है - मटर के आकार से लेकर समुद्र तट की गेंद के आकार तक।
ओब्लाथ ने कहा, "प्रोजेक्ट 8 न केवल एक बड़ा और बेहतर CRES प्रयोग है, यह पहला CRES प्रयोग है और इस तरह की पहचान तकनीक का उपयोग करने वाला पहला है।" "ऐसा पहले कभी नहीं किया गया है। अधिकांश प्रयोग 50 या 100 साल पुराने हैं, कम से कम वे जिस पहचान तकनीक का उपयोग करते हैं, और यह वास्तव में नया है।"