एक न्यूट्रिनो एक प्राथमिक कण है जो एक इलेक्ट्रॉन के समान है, लेकिन इसमें कोई विद्युत आवेश नहीं होता है। इसका द्रव्यमान बहुत छोटा होता है, जो शून्य भी हो सकता है। न्यूट्रिनो की गति भी द्रव्यमान पर निर्भर करती है। कण और प्रकाश के आगमन समय में अंतर 0.0006% (± 0.0012%) है। 2011 में, OPERA प्रयोग के दौरान, यह पाया गया कि न्यूट्रिनो की गति प्रकाश की गति से अधिक होती है, लेकिन स्वतंत्र अनुभव ने इसकी पुष्टि नहीं की।
द एल्युसिव पार्टिकल
यह ब्रह्मांड में सबसे आम कणों में से एक है। चूंकि यह पदार्थ के साथ बहुत कम संपर्क करता है, इसलिए इसका पता लगाना अविश्वसनीय रूप से कठिन है। इलेक्ट्रॉन और न्यूट्रिनो मजबूत परमाणु बातचीत में भाग नहीं लेते हैं, लेकिन कमजोर लोगों में समान रूप से भाग लेते हैं। इन गुणों वाले कणों को लेप्टान कहा जाता है। इलेक्ट्रॉन (और इसके एंटीपार्टिकल, पॉज़िट्रॉन) के अलावा, चार्ज किए गए लेप्टान में म्यूऑन (200 इलेक्ट्रॉन द्रव्यमान), ताऊ (3500 इलेक्ट्रॉन द्रव्यमान) और उनके एंटीपार्टिकल्स शामिल हैं। उन्हें ऐसा कहा जाता है: इलेक्ट्रॉन-, म्यूऑन- और ताऊ-न्यूट्रिनो। उनमें से प्रत्येक में एक एंटी-मटेरियल घटक होता है जिसे एंटीन्यूट्रिनो कहा जाता है।
मुओन और ताऊ, एक इलेक्ट्रॉन की तरह, उनके साथ कण होते हैं। ये म्यूऑन और ताऊ न्यूट्रिनो हैं। तीन प्रकार के कण एक दूसरे से भिन्न होते हैं।उदाहरण के लिए, जब म्यूऑन न्यूट्रिनो एक लक्ष्य के साथ परस्पर क्रिया करते हैं, तो वे हमेशा म्यूऑन उत्पन्न करते हैं, कभी ताऊ या इलेक्ट्रॉन नहीं। कणों की परस्पर क्रिया में, हालांकि इलेक्ट्रॉन और इलेक्ट्रॉन-न्यूट्रिनो बनाए और नष्ट किए जा सकते हैं, उनका योग अपरिवर्तित रहता है। यह तथ्य लेप्टान के तीन प्रकारों में विभाजन की ओर ले जाता है, जिनमें से प्रत्येक में एक आवेशित लेप्टन और साथ में न्यूट्रिनो होता है।
इस कण का पता लगाने के लिए बहुत बड़े और बेहद संवेदनशील डिटेक्टरों की जरूरत होती है। आमतौर पर, कम ऊर्जा वाले न्यूट्रिनो पदार्थ के साथ बातचीत करने से पहले कई प्रकाश-वर्ष की यात्रा करेंगे। नतीजतन, उनके साथ सभी जमीनी प्रयोग उचित आकार के रिकॉर्डर के साथ बातचीत करते हुए उनके छोटे अंश को मापने पर निर्भर करते हैं। उदाहरण के लिए, सडबरी न्यूट्रिनो वेधशाला में, जिसमें 1000 टन भारी पानी होता है, लगभग 1012 सौर न्यूट्रिनो प्रति सेकंड डिटेक्टर से गुजरते हैं। और एक दिन में सिर्फ 30 ही मिलते हैं।
खोज इतिहास
वोल्फगैंग पाउली ने पहली बार 1930 में एक कण के अस्तित्व की पुष्टि की। उस समय एक समस्या उत्पन्न हुई क्योंकि ऐसा लगता था कि बीटा क्षय में ऊर्जा और कोणीय गति संरक्षित नहीं थी। लेकिन पाउली ने नोट किया कि यदि एक गैर-अंतःक्रियात्मक तटस्थ न्यूट्रिनो कण उत्सर्जित होता है, तो ऊर्जा के संरक्षण के नियम का पालन किया जाएगा। इतालवी भौतिक विज्ञानी एनरिको फर्मी ने 1934 में बीटा क्षय के सिद्धांत को विकसित किया और कण को इसका नाम दिया।
सभी भविष्यवाणियों के बावजूद, 20 वर्षों तक पदार्थ के साथ कमजोर बातचीत के कारण न्यूट्रिनो का प्रयोगात्मक रूप से पता नहीं लगाया जा सका। चूंकि कण विद्युत रूप से नहीं होते हैंआवेशित, वे विद्युत चुम्बकीय बलों से प्रभावित नहीं होते हैं, और इसलिए, वे पदार्थ के आयनीकरण का कारण नहीं बनते हैं। इसके अलावा, वे नगण्य ताकत के कमजोर अंतःक्रियाओं के माध्यम से ही पदार्थ के साथ प्रतिक्रिया करते हैं। इसलिए, वे सबसे अधिक मर्मज्ञ उप-परमाणु कण हैं, जो बिना किसी प्रतिक्रिया के बड़ी संख्या में परमाणुओं से गुजरने में सक्षम हैं। इन 10 बिलियन में से केवल 1 कण, पृथ्वी के व्यास के बराबर दूरी तय करते हुए, एक प्रोटॉन या न्यूट्रॉन के साथ प्रतिक्रिया करता है।
आखिरकार, 1956 में, फ्रेडरिक रेइन्स के नेतृत्व में अमेरिकी भौतिकविदों के एक समूह ने इलेक्ट्रॉन-एंटीन्यूट्रिनो की खोज की घोषणा की। अपने प्रयोगों में, परमाणु रिएक्टर से निकलने वाले एंटीन्यूट्रिनो ने न्यूट्रॉन और पॉज़िट्रॉन बनाने के लिए प्रोटॉन के साथ बातचीत की। इन नवीनतम उप-उत्पादों के अद्वितीय (और दुर्लभ) ऊर्जा हस्ताक्षर कण के अस्तित्व के प्रमाण प्रदान करते हैं।
आवेशित म्यूऑन लेप्टान की खोज दूसरे प्रकार के न्यूट्रिनो - म्यूऑन की बाद की पहचान के लिए प्रारंभिक बिंदु बन गई। उनकी पहचान 1962 में एक कण त्वरक में एक प्रयोग के परिणामों के आधार पर की गई थी। उच्च-ऊर्जा म्यूओनिक न्यूट्रिनो पी-मेसन के क्षय से उत्पन्न हुए और डिटेक्टर को इस तरह से भेजे गए कि पदार्थ के साथ उनकी प्रतिक्रियाओं का अध्ययन किया जा सके। यद्यपि वे गैर-प्रतिक्रियाशील हैं, अन्य प्रकार के इन कणों की तरह, यह पाया गया है कि दुर्लभ अवसरों पर जब वे प्रोटॉन या न्यूट्रॉन के साथ प्रतिक्रिया करते हैं, तो म्यूऑन-न्यूट्रिनो म्यूऑन बनाते हैं, लेकिन इलेक्ट्रॉन कभी नहीं। 1998 में, अमेरिकी भौतिक विज्ञानी लियोन लेडरमैन, मेल्विन श्वार्ट्ज और जैक स्टीनबर्गरम्यूऑन-न्यूट्रिनो की पहचान के लिए भौतिकी में नोबेल पुरस्कार प्राप्त किया।
1970 के दशक के मध्य में, न्यूट्रिनो भौतिकी को एक अन्य प्रकार के आवेशित लेप्टान - ताऊ के साथ फिर से भर दिया गया। ताऊ न्यूट्रिनो और ताऊ एंटीन्यूट्रिनो इस तीसरे आवेशित लेप्टान से जुड़े हुए हैं। 2000 में, राष्ट्रीय त्वरक प्रयोगशाला में भौतिक विज्ञानी। एनरिको फर्मी ने इस प्रकार के कण के अस्तित्व के लिए पहले प्रायोगिक साक्ष्य की सूचना दी।
मास
सभी प्रकार के न्यूट्रिनो का द्रव्यमान उनके आवेशित समकक्षों की तुलना में बहुत कम होता है। उदाहरण के लिए, प्रयोगों से पता चलता है कि इलेक्ट्रॉन-न्यूट्रिनो द्रव्यमान इलेक्ट्रॉन द्रव्यमान के 0.002% से कम होना चाहिए और तीन प्रजातियों के द्रव्यमान का योग 0.48 eV से कम होना चाहिए। कई वर्षों तक ऐसा लगता था कि एक कण का द्रव्यमान शून्य था, हालांकि ऐसा कोई ठोस सैद्धांतिक प्रमाण नहीं था कि ऐसा क्यों होना चाहिए। फिर, 2002 में, सडबरी न्यूट्रिनो वेधशाला ने पहला प्रत्यक्ष प्रमाण प्रदान किया कि सूर्य के मूल परिवर्तन प्रकार में परमाणु प्रतिक्रियाओं द्वारा उत्सर्जित इलेक्ट्रॉन-न्यूट्रिनो जब वे इसके माध्यम से यात्रा करते हैं। न्यूट्रिनो के ऐसे "दोलन" संभव हैं यदि एक या अधिक प्रकार के कणों में कुछ छोटा द्रव्यमान हो। पृथ्वी के वायुमंडल में ब्रह्मांडीय किरणों की परस्पर क्रिया के उनके अध्ययन से भी द्रव्यमान की उपस्थिति का संकेत मिलता है, लेकिन इसे और अधिक सटीक रूप से निर्धारित करने के लिए और प्रयोगों की आवश्यकता है।
स्रोत
न्यूट्रिनो के प्राकृतिक स्रोत पृथ्वी के आँतों में तत्वों का रेडियोधर्मी क्षय है, जिसमेंकम ऊर्जा वाले इलेक्ट्रॉनों-एंटीन्यूट्रिनो की एक बड़ी धारा उत्सर्जित होती है। सुपरनोवा भी एक मुख्य रूप से न्यूट्रिनो घटना है, क्योंकि केवल ये कण एक ढहते हुए तारे में उत्पन्न सुपरडेंस सामग्री में प्रवेश कर सकते हैं; ऊर्जा का केवल एक छोटा सा हिस्सा ही प्रकाश में परिवर्तित होता है। गणना से पता चलता है कि सूर्य की ऊर्जा का लगभग 2% थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन प्रतिक्रियाओं में उत्पन्न न्यूट्रिनो की ऊर्जा है। यह संभावना है कि ब्रह्मांड में अधिकांश डार्क मैटर बिग बैंग के दौरान उत्पन्न न्यूट्रिनो से बना है।
भौतिकी की समस्याएं
न्यूट्रिनो और खगोल भौतिकी से संबंधित क्षेत्र विविध और तेजी से विकसित हो रहे हैं। बड़ी संख्या में प्रायोगिक और सैद्धांतिक प्रयासों को आकर्षित करने वाले वर्तमान प्रश्न इस प्रकार हैं:
- विभिन्न न्यूट्रिनो का द्रव्यमान क्या है?
- वे बिग बैंग ब्रह्मांड विज्ञान को कैसे प्रभावित करते हैं?
- क्या वे दोलन करते हैं?
- क्या एक प्रकार के न्यूट्रिनो पदार्थ और अंतरिक्ष में यात्रा करते हुए दूसरे प्रकार के न्यूट्रिनो में परिवर्तित हो सकते हैं?
- क्या न्यूट्रिनो मौलिक रूप से अपने एंटीपार्टिकल्स से अलग हैं?
- सितारे कैसे ढहते हैं और सुपरनोवा बनाते हैं?
- ब्रह्मांड विज्ञान में न्यूट्रिनो की क्या भूमिका है?
विशेष रुचि की दीर्घकालिक समस्याओं में से एक तथाकथित सौर न्यूट्रिनो समस्या है। यह नाम इस तथ्य को संदर्भित करता है कि पिछले 30 वर्षों में किए गए कई भू-आधारित प्रयोगों के दौरान, सूर्य द्वारा उत्सर्जित ऊर्जा का उत्पादन करने के लिए आवश्यकता से कम कण लगातार देखे गए थे। इसके संभावित समाधानों में से एक है दोलन, यानी इलेक्ट्रॉनिक का परिवर्तनपृथ्वी पर यात्रा करते समय न्यूट्रिनो म्यूऑन या ताऊ में। चूंकि कम-ऊर्जा म्यूऑन या ताऊ न्यूट्रिनो को मापना अधिक कठिन है, इसलिए इस प्रकार का परिवर्तन समझा सकता है कि हम पृथ्वी पर कणों की सही संख्या का निरीक्षण क्यों नहीं करते हैं।
चौथा नोबेल पुरस्कार
2015 का भौतिकी का नोबेल पुरस्कार ताकाकी काजिता और आर्थर मैकडोनाल्ड को न्यूट्रिनो द्रव्यमान की खोज के लिए दिया गया था। इन कणों के प्रायोगिक माप से संबंधित यह चौथा ऐसा पुरस्कार था। कुछ लोगों को आश्चर्य हो सकता है कि हमें किसी ऐसी चीज़ की इतनी परवाह क्यों करनी चाहिए जो साधारण पदार्थ के साथ मुश्किल से ही इंटरैक्ट करती है।
यह तथ्य कि हम इन क्षणिक कणों का पता लगा सकते हैं, मानव सरलता का प्रमाण है। चूंकि क्वांटम यांत्रिकी के नियम संभाव्य हैं, हम जानते हैं कि भले ही लगभग सभी न्यूट्रिनो पृथ्वी से गुजरते हैं, उनमें से कुछ इसके साथ बातचीत करेंगे। इसका पता लगाने के लिए एक डिटेक्टर काफी बड़ा है।
इस तरह का पहला उपकरण साठ के दशक में साउथ डकोटा की एक खदान में बनाया गया था। खदान में 400 हजार लीटर सफाई द्रव भरा गया था। औसतन, हर दिन एक न्यूट्रिनो कण क्लोरीन परमाणु के साथ बातचीत करता है, इसे आर्गन में बदल देता है। अविश्वसनीय रूप से, रेमंड डेविस, जो डिटेक्टर के प्रभारी थे, इन कुछ आर्गन परमाणुओं का पता लगाने का एक तरीका लेकर आए, और चार दशक बाद, 2002 में, उन्हें इस अद्भुत तकनीकी उपलब्धि के लिए नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया।
नया खगोल विज्ञान
चूंकि न्यूट्रिनो इतनी कमजोर बातचीत करते हैं, वे बड़ी दूरी तय कर सकते हैं। वे हमें उन जगहों को देखने का मौका देते हैं जिन्हें हम अन्यथा कभी नहीं देख पाएंगे। डेविस द्वारा खोजे गए न्यूट्रिनो सूर्य के बहुत केंद्र में हुई परमाणु प्रतिक्रियाओं से उत्पन्न हुए थे, और इस अविश्वसनीय रूप से घने और गर्म स्थान से बचने में सक्षम थे क्योंकि वे शायद ही अन्य पदार्थों के साथ बातचीत करते थे। पृथ्वी से एक लाख प्रकाश वर्ष की दूरी पर एक विस्फोट करने वाले तारे के केंद्र से उड़ने वाले न्यूट्रिनो का पता लगाना भी संभव है।
इसके अलावा, ये कण ब्रह्मांड को बहुत छोटे पैमाने पर देखना संभव बनाते हैं, जो कि जिनेवा में लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर की तुलना में बहुत छोटा है, जिसने हिग्स बोसोन की खोज की थी। यही कारण है कि नोबेल समिति ने एक अन्य प्रकार के न्यूट्रिनो की खोज के लिए नोबेल पुरस्कार देने का फैसला किया।
रहस्यमय लापता
जब रे डेविस ने सौर न्यूट्रिनो का अवलोकन किया, तो उन्हें अपेक्षित संख्या का केवल एक तिहाई ही मिला। अधिकांश भौतिकविदों का मानना था कि इसका कारण सूर्य के खगोल भौतिकी का खराब ज्ञान था: शायद तारे के इंटीरियर के मॉडल ने उसमें उत्पादित न्यूट्रिनो की संख्या को कम करके आंका। फिर भी, पिछले कुछ वर्षों में, सौर मॉडल में सुधार के बावजूद, कमी बनी रही। भौतिकविदों ने एक और संभावना की ओर ध्यान आकर्षित किया: समस्या इन कणों की हमारी समझ से संबंधित हो सकती है। तत्कालीन प्रचलित सिद्धांत के अनुसार इनका कोई द्रव्यमान नहीं था। लेकिन कुछ भौतिकविदों ने तर्क दिया है कि कणों में वास्तव में एक अपरिमित थाद्रव्यमान, और यही द्रव्यमान उनकी कमी का कारण था।
तीन मुखी कण
न्यूट्रिनो दोलनों के सिद्धांत के अनुसार प्रकृति में तीन अलग-अलग प्रकार के न्यूट्रिनो होते हैं। यदि किसी कण का द्रव्यमान है, तो जैसे-जैसे वह गति करता है, वह एक प्रकार से दूसरे प्रकार में परिवर्तित हो सकता है। तीन प्रकार - इलेक्ट्रॉन, म्यूऑन और ताऊ - जब पदार्थ के साथ परस्पर क्रिया करते हैं तो उन्हें संबंधित आवेशित कण (इलेक्ट्रॉन, म्यूऑन या ताऊ लेप्टन) में परिवर्तित किया जा सकता है। "दोलन" क्वांटम यांत्रिकी के कारण होता है। न्यूट्रिनो का प्रकार स्थिर नहीं है। यह समय के साथ बदलता है। एक न्यूट्रिनो, जिसने एक इलेक्ट्रॉन के रूप में अपना अस्तित्व शुरू किया, एक म्यूऑन में बदल सकता है, और फिर वापस आ सकता है। इस प्रकार, पृथ्वी के रास्ते में सूर्य के मूल में बनने वाला एक कण समय-समय पर म्यूऑन-न्यूट्रिनो में बदल सकता है और इसके विपरीत। चूंकि डेविस डिटेक्टर केवल इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो का पता लगा सकता है जो क्लोरीन के परमाणु रूपांतरण को आर्गन में ले जाने में सक्षम है, ऐसा लग रहा था कि लापता न्यूट्रिनो अन्य प्रकारों में बदल गए थे। (जैसा कि यह पता चला है, न्यूट्रिनो सूर्य के अंदर दोलन करते हैं, पृथ्वी के रास्ते में नहीं।)
कनाडाई प्रयोग
इसका परीक्षण करने का एकमात्र तरीका एक ऐसा डिटेक्टर बनाना था जो तीनों प्रकार के न्यूट्रिनो के लिए काम करता हो। 1990 के दशक से, क्वीन्स ओंटारियो विश्वविद्यालय के आर्थर मैकडॉनल्ड्स ने उस टीम का नेतृत्व किया है जिसने ओंटारियो के सडबरी में एक खदान में ऐसा किया था। इस सुविधा में कनाडा सरकार से ऋण पर भारी मात्रा में भारी पानी था। भारी पानी पानी का एक दुर्लभ लेकिन प्राकृतिक रूप से पाया जाने वाला रूप है जिसमें हाइड्रोजन, जिसमें एक प्रोटॉन होता है,इसके भारी आइसोटोप ड्यूटेरियम द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है, जिसमें एक प्रोटॉन और एक न्यूट्रॉन होता है। कनाडा की सरकार ने भारी पानी जमा किया क्योंकि इसका उपयोग परमाणु रिएक्टरों में शीतलक के रूप में किया जाता है। सभी तीन प्रकार के न्यूट्रिनो एक प्रोटॉन और न्यूट्रॉन बनाने के लिए ड्यूटेरियम को नष्ट कर सकते हैं, और फिर न्यूट्रॉन की गणना की जाती है। डिटेक्टर ने डेविस की तुलना में लगभग तीन गुना कणों की संख्या दर्ज की - ठीक वही संख्या जिसकी भविष्यवाणी सूर्य के सर्वोत्तम मॉडलों द्वारा की गई थी। इसने सुझाव दिया कि इलेक्ट्रॉन-न्यूट्रिनो अपने अन्य प्रकारों में दोलन कर सकते हैं।
जापानी प्रयोग
लगभग उसी समय, टोक्यो विश्वविद्यालय के ताकाकी काजिता एक और उल्लेखनीय प्रयोग कर रहे थे। जापान में एक खदान में लगे एक डिटेक्टर ने न्यूट्रिनो को सूर्य की आंतों से नहीं, बल्कि ऊपरी वायुमंडल से आने वाले न्यूट्रिनो को पंजीकृत किया। जब ब्रह्मांडीय किरण प्रोटॉन वायुमंडल से टकराते हैं, तो म्यूऑन न्यूट्रिनो सहित अन्य कणों की वर्षा होती है। खदान में, उन्होंने हाइड्रोजन नाभिक को म्यूऑन में बदल दिया। काजीता डिटेक्टर दो दिशाओं में आने वाले कणों को देख सकता था। कुछ ऊपर से गिरे, वातावरण से आ रहे थे, जबकि अन्य नीचे से चले गए। कणों की संख्या भिन्न थी, जो उनकी भिन्न प्रकृति का संकेत देती थी - वे अपने दोलन चक्र के विभिन्न बिंदुओं पर थे।
विज्ञान में क्रांति
यह सब आकर्षक और आश्चर्यजनक है, लेकिन दोलन और न्यूट्रिनो द्रव्यमान इतना ध्यान क्यों आकर्षित करते हैं? वजह साफ है। बीसवीं शताब्दी के अंतिम पचास वर्षों में विकसित कण भौतिकी के मानक मॉडल में,जिसने त्वरक और अन्य प्रयोगों में अन्य सभी अवलोकनों का सही वर्णन किया है, न्यूट्रिनो को द्रव्यमान रहित होना चाहिए था। न्यूट्रिनो द्रव्यमान की खोज से पता चलता है कि कुछ गायब है। मानक मॉडल पूरा नहीं हुआ है। लापता तत्वों को अभी तक खोजा जाना बाकी है, या तो लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर या किसी अन्य अभी तक बनने वाली मशीन के माध्यम से।
