न्यूट्रिनो, प्रकृति के भूत कणों की तलाश

हम न्यूट्रिनो में जाग रहे हैं। वे दो दर्जन या इतने ही ज्ञात उप-परमाणु कणों में सबसे हल्के हैं और वे सभी दिशाओं से आते हैं: बिग बैंग से जिसने ब्रह्मांड की शुरुआत की, सितारों से और सबसे बढ़कर, सूर्य से। वे पृथ्वी के माध्यम से सीधे प्रकाश की गति पर आते हैं, हर समय, दिन और रात, भारी संख्या में। लगभग 100 ट्रिलियन न्यूट्रिनो हमारे शरीर से हर सेकंड गुजरते हैं।

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भौतिकविदों के लिए समस्या यह है कि न्यूट्रिनो को देखना असंभव है और इसका पता लगाना मुश्किल है। ऐसा करने के लिए डिज़ाइन किया गया कोई भी उपकरण स्पर्श को ठोस महसूस कर सकता है, लेकिन न्यूट्रिनो के लिए, यहां तक ​​कि स्टेनलेस स्टील भी ज्यादातर खाली जगह होती है, क्योंकि सौर प्रणाली के रूप में व्यापक रूप से खुला एक धूमकेतु है। अधिकांश उप-परमाणु कणों के विपरीत, न्यूट्रिनोस के पास कोई विद्युत चार्ज नहीं है - वे तटस्थ हैं, इसलिए नाम-इसलिए वैज्ञानिक उन्हें पकड़ने के लिए बिजली या चुंबकीय बलों का उपयोग नहीं कर सकते हैं। भौतिक विज्ञानी उन्हें "भूत के कण" कहते हैं।

इन मायावी संस्थाओं को पकड़ने के लिए, भौतिकविदों ने कुछ असाधारण रूप से महत्वाकांक्षी प्रयोग किए हैं। ताकि न्यूट्रिनों को कॉस्मिक किरणों (बाहरी अंतरिक्ष से उप-परमाणु कण जो पृथ्वी में प्रवेश न करें) के साथ भ्रमित न हों, डिटेक्टर गहरे भूमिगत स्थापित हैं। विशाल सोने और निकल की खदानों में, पहाड़ों के नीचे सुरंगों में, समुद्र में और अंटार्कटिक बर्फ में रखा गया है। ब्रह्मांड के बारे में जानने के लिए मानव जाति के संकल्प के लिए ये अजीब सुंदर उपकरण स्मारक हैं।

यह स्पष्ट नहीं है कि न्यूट्रिनो का अध्ययन करने से क्या व्यावहारिक अनुप्रयोग आएंगे। "हम नहीं जानते कि यह कहाँ का नेतृत्व करने जा रहा है, " बोरिस Kayser, Batavia, इलिनोइस में Fermilab में एक सैद्धांतिक भौतिक विज्ञानी कहते हैं।

भौतिकविदों ने न्यूट्रिनो का आंशिक रूप से अध्ययन किया क्योंकि न्यूट्रिनो ऐसे विषम वर्ण हैं: वे उन नियमों को तोड़ते हुए प्रतीत होते हैं जो इसकी सबसे मौलिक प्रकृति का वर्णन करते हैं। और अगर भौतिक विज्ञानी कभी भी वास्तविकता के एक सुसंगत सिद्धांत को विकसित करने की अपनी उम्मीदों को पूरा करने जा रहे हैं, जो बिना किसी अपवाद के प्रकृति की मूल बातें बताते हैं, तो उन्हें न्यूट्रिनो के व्यवहार के लिए ध्यान रखना होगा।

इसके अलावा, न्यूट्रिनों साज़िश वैज्ञानिकों क्योंकि कण ब्रह्मांड के बाहरी पहुंच से संदेशवाहक हैं, जो हिंसक रूप से आकाशगंगाओं और अन्य रहस्यमय घटनाओं का विस्फोट करके बनाए गए हैं। "न्यूट्रीनो हमें उन चीजों को बताने में सक्षम हो सकता है जो अधिक ह्यूमिड्रम कण नहीं कर सकते, " काइसर कहते हैं।

भौतिकविदों ने न्यूट्रीनो की कल्पना की थी इससे पहले कि उन्होंने कभी भी पाया। 1930 में, उन्होंने एक समीकरण को संतुलित करने के लिए अवधारणा बनाई, जो जोड़ नहीं रही थी। जब एक रेडियोधर्मी परमाणु का नाभिक विघटित हो जाता है, तो इससे निकलने वाले कणों की ऊर्जा मूल रूप से निहित ऊर्जा के बराबर होनी चाहिए। लेकिन वास्तव में, वैज्ञानिकों ने देखा, नाभिक डिटेक्टर से अधिक ऊर्जा खो रहा था। तो उस अतिरिक्त ऊर्जा का ध्यान रखने के लिए भौतिक विज्ञानी वोल्फगैंग पाउली ने नाभिक द्वारा उत्सर्जित एक अतिरिक्त, अदृश्य कण की कल्पना की। पाउली ने अपनी पत्रिका में लिखा, "एक कण का प्रस्ताव देकर मैंने आज बहुत बुरा किया है। "यह कुछ ऐसा है जिसे कोई सिद्धांतकार कभी नहीं करना चाहिए।"

प्रायोगिकविदों ने वैसे भी इसकी तलाश शुरू कर दी। 1950 के दशक के मध्य में दक्षिण कैरोलिना में एक परमाणु हथियार प्रयोगशाला में, उन्होंने एक परमाणु रिएक्टर के बाहर दो बड़े पानी के टैंकों को तैनात किया, जो कि उनके समीकरणों के अनुसार, दस ट्रिलियन न्यूट्रिनो को एक सेकंड में बनाना चाहिए था। यह डिटेक्टर आज के मानकों से छोटा था, लेकिन यह अभी भी न्यूट्रिनो-तीन घंटे का स्थान पाने में कामयाब रहा। वैज्ञानिकों ने स्थापित किया था कि प्रस्तावित न्यूट्रिनो वास्तव में वास्तविक थे; मायावी कण का अध्ययन त्वरित।

एक दशक बाद, इस क्षेत्र में वृद्धि हुई जब भौतिकविदों के एक अन्य समूह ने लीड, साउथ डकोटा में 4, 850 फीट भूमिगत, होमस्टेक सोने की खान में एक डिटेक्टर स्थापित किया। इस प्रयोग में वैज्ञानिकों ने न्यूट्रिनो का निरीक्षण करने के लिए निर्धारित किया है कि दुर्लभ अवसर पर क्या होता है जब एक न्यूट्रिनो एक क्लोरीन परमाणु से टकराता है और रेडियोधर्मी आर्गन बनाता है, जो आसानी से पता लगाने योग्य है। प्रयोग के मूल में एक टैंक था जिसमें 600 टन क्लोरीन युक्त तरल, पर्क्लोरेथिलीन, एक तरल पदार्थ का इस्तेमाल किया गया था जो सूखी सफाई में इस्तेमाल किया जाता था। हर कुछ महीनों में, वैज्ञानिक टैंक को बहा देते हैं और लगभग 15 आर्गन परमाणुओं, 15 न्यूट्रिनो का प्रमाण निकालते हैं। निगरानी 30 से अधिक वर्षों तक जारी रही।

बड़ी संख्या में न्यूट्रिनो का पता लगाने की उम्मीद करते हुए, जापान में वैज्ञानिकों ने एक जस्ता खदान में 3, 300 फीट भूमिगत प्रयोग किया। सुपर-कमिओकांडे, या सुपर-के जैसा कि ज्ञात है, 1996 में शुरू हुआ। डिटेक्टर में एक गुंबददार टैंक में 50, 000 टन पानी होता है जिसकी दीवारें 13, 000 प्रकाश सेंसर से ढकी होती हैं। सेंसर कभी-कभी नीले फ्लैश (हमारी आंखों को देखने के लिए भी बेहोश) का पता लगाते हैं, जब एक न्यूट्रिनो पानी में एक परमाणु से टकराता है और एक इलेक्ट्रॉन बनाता है। और पानी में कूच करने वाले सटीक रास्ते का पता लगाकर भौतिक विज्ञानी अंतरिक्ष में, टकराने वाले न्यूट्रिनो के स्रोत का पता लगा सकते हैं। ज्यादातर, उन्होंने पाया, सूरज से आया था। माप पर्याप्त रूप से संवेदनशील थे कि सुपर-के आकाश के सूर्य के मार्ग को ट्रैक कर सकता है और, पृथ्वी की सतह से लगभग एक मील नीचे, दिन को रात में बदल सकता है। मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के भौतिक विज्ञानी जेनेट कॉनराड कहते हैं, "यह वास्तव में एक रोमांचक बात है।" कण पटरियों को "एक सुंदर छवि, न्यूट्रिनो में सूर्य की तस्वीर" बनाने के लिए संकलित किया जा सकता है।

लेकिन होमस्टेक और सुपर-के प्रयोगों ने कई न्यूट्रिनों का पता नहीं लगाया, जैसा कि भौतिकविदों को उम्मीद थी। सुदबरी न्यूट्रिनो ऑब्जर्वेटरी (एसएनओ, "स्नो") के अनुसंधान ने यह निर्धारित किया कि क्यों। ओंटारियो में एक 6, 800 फुट गहरी खदान में स्थापित, एसएनओ में 1, 100 टन "भारी पानी" है, जिसमें हाइड्रोजन का एक असामान्य रूप है जो न्यूट्रिनो के साथ अपेक्षाकृत आसानी से प्रतिक्रिया करता है। द्रव एक विशाल ऐक्रेलिक गेंद के अंदर निलंबित टैंक में है जो खुद एक जियोडेसिक सुपरस्ट्रक्चर के अंदर आयोजित होता है, जो कंपन को अवशोषित करता है और जिस पर 9, 456 प्रकाश सेंसर लटकाए जाते हैं - पूरी तरह से 30 फुट लंबा क्रिसमस ट्री आभूषण जैसा दिखता है।

एसएनओ में काम करने वाले वैज्ञानिकों ने 2001 में पता लगाया कि एक न्यूट्रिनो तीन अलग-अलग पहचानों के बीच सहज रूप से बदल सकता है - या जैसा कि भौतिकविदों का कहना है, यह तीन स्वादों के बीच दोलन करता है। इस खोज के चौंकाने वाले निहितार्थ थे। एक बात के लिए, यह दिखाया गया है कि पिछले प्रयोगों ने भविष्यवाणी की तुलना में बहुत कम न्यूट्रिनों का पता लगाया था क्योंकि उपकरणों को केवल एक न्यूट्रिनो स्वाद के लिए तैयार किया गया था - जिस तरह से एक इलेक्ट्रॉन बनाता है - और स्विच किए गए लोगों को याद नहीं कर रहे थे। दूसरे के लिए, खोज करने वाले भौतिकविदों का यह मानना ​​कि न्यूट्रिनो, एक फोटॉन की तरह, कोई द्रव्यमान नहीं है। (फ्लेवर के बीच ऑस्किलेटिंग एक ऐसी चीज़ है जो केवल द्रव्यमान वाले कणों को करने में सक्षम है।)

न्यूट्रीनो में कितना द्रव्यमान होता है? यह पता लगाने के लिए, भौतिक विज्ञानी कैटरीन-कार्ल्स्रुहे ट्रिटियम न्यूट्रिनो प्रयोग का निर्माण कर रहे हैं। KATRIN के व्यापार के अंत में एक स्पेक्ट्रोमीटर नामक 200 टन का उपकरण होता है, जो रेडियोधर्मी रूप से क्षय होने से पहले और बाद में परमाणुओं के द्रव्यमान को मापेगा - जिससे पता चलता है कि न्यूट्रिनो कितना द्रव्यमान रखता है। तकनीशियनों ने जर्मनी के कार्लज़ूए से लगभग 250 मील की दूरी पर स्पेक्ट्रोमीटर बनाया, जहां प्रयोग संचालित होगा; यह उपकरण क्षेत्र की संकरी सड़कों के लिए बहुत बड़ा था, इसलिए इसे डेन्यूब नदी पर एक नाव पर रखा गया था और पिछले दिनों विएना, बुडापेस्ट और बेलग्रेड में, काले सागर में, एजियन और भूमध्यसागरीय, स्पेन के आसपास, अंग्रेजी चैनल के माध्यम से मंगाई गई थी।, रॉटरडैम और राइन में, फिर लियोपोल्डशाफ़ेन, जर्मनी के नदी बंदरगाह के दक्षिण में। वहाँ इसे एक ट्रक पर लाद दिया गया था और शहर से होते हुए अपने गंतव्य, दो महीने और 5, 600 मील बाद में उतारा गया था। यह 2012 में डेटा एकत्र करना शुरू करने वाला है।

भौतिकविदों और खगोलविदों को इस जानकारी में दिलचस्पी है कि बाहरी अंतरिक्ष से न्यूट्रिनो सुपरनोवा या टकराती आकाशगंगाओं के बारे में ले सकते हैं, जिन्होंने न्यूट्रिनो "दूरबीन" स्थापित की है। एक, जिसे आइसक्यूब कहा जाता है, अंटार्कटिका में एक बर्फ क्षेत्र के अंदर है। जब पूरा हो जाता है, तो 2011 में, इसमें 5, 000 से अधिक ब्लू-लाइट सेंसर शामिल होंगे (ऊपर चित्र देखें)। सेंसर आकाश के उद्देश्य से नहीं हैं, जैसा कि आप उम्मीद कर सकते हैं, लेकिन जमीन की ओर, सूर्य और बाहरी अंतरिक्ष से उत्तर से ग्रह के माध्यम से आने वाले न्यूट्रिनो का पता लगाने के लिए। पृथ्वी ब्रह्मांडीय किरणों को अवरुद्ध करती है, लेकिन अधिकांश न्यूट्रिनो 8, 000 मील चौड़े ग्रह के माध्यम से ज़िप करते हैं जैसे कि यह वहां नहीं थे।

मिडवेस्टर्न राज्यों के तहत एक लंबी दूरी की न्यूट्रिनो प्रयोग हो रहा है। एक उच्च-ऊर्जा त्वरक, जो उप-परमाणु कणों को उत्पन्न करता है, न्यूट्रिनो के बीम और संबंधित कणों को छह मील गहरा, उत्तरी इलिनोइस के नीचे, विस्कॉन्सिन में और मिनेसोटा में शूट करता है। ये कण फ़र्मिलाब पर शुरू होते हैं, एक प्रयोग के भाग के रूप में जिसे मुख्य इंजेक्टर न्यूट्रिनो ऑसिलेशन सर्च (MINIS) कहा जाता है। एक सेकंड के तीन-हज़ारवें हिस्से में, उन्होंने 450 मील दूर सौदान की लौह खदान में एक डिटेक्टर मारा। वैज्ञानिकों ने जो डेटा इकट्ठा किया है, वह इस असीम दुनिया की उनकी तस्वीर को जटिल बनाता है: अब यह प्रतीत होता है कि न्यूट्रिनो के विदेशी रूप, तथाकथित एंटी-न्यूट्रिनो, अन्य न्यूट्रिनो के समान दोलन के समान नियमों का पालन नहीं कर सकते हैं।

कॉनराड कहते हैं, "क्या अच्छा है, " यह वही है जो हमने उम्मीद नहीं की थी। "

जब यह न्युट्रीनो की बात आती है, तो बहुत कम है।

एन फ़िंकबिनर की नवीनतम पुस्तक, ए ग्रैंड एंड बोल्ड थिंग, ब्रह्मांड को मैप करने के प्रयास के बारे में स्लोन डिजिटल स्काई सर्वे के बारे में है।

हमारे द्वारा बमबारी करने वाले अधिकांश न्यूट्रिनों को एक पराबैंगनी छवि में यहां दिखाया गया है। (नासा) जापान में कैवर्नस सुपर-कमियोकेन्डे डिटेक्टर न्युट्रीनो के संकेतों को इंगित करने के लिए 13, 000 सेंसर के साथ पंक्तिबद्ध है। एक नाव में काम करने वाले उपकरण की निगरानी करते हैं क्योंकि यह पानी से भर जाता है। (कामीओका ऑब्जर्वेटरी, आईसीआरआर (कॉस्मिक रे रिसर्च के लिए संस्थान), टोक्यो विश्वविद्यालय) सूरज की कोर पर प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला में, हाइड्रोजन परमाणु संलयन के माध्यम से हीलियम बनाते हैं। यह प्रक्रिया न्यूट्रिनो सहित ऊर्जा और उप-परमाणु कणों को छोड़ती है। जब एक फोटॉन, या प्रकाश का कण, सूरज के घने कोर को छोड़ देता है, तो यह गर्मी और रोष में फंस जाता है और लाखों वर्षों तक हम तक नहीं पहुंच पाता है। लेकिन एक सौर न्युट्रीनो अप्रभावित है और आठ मिनट में पृथ्वी पर पहुंच जाता है। (सैमुअल वेलास्को / 5 डब्ल्यू इन्फोग्राफिक्स) कनाडा के सुदबरी न्यूट्रिनो वेधशाला ने पुष्टि की कि एक न्यूट्रिनो अपनी पहचान बदल सकता है। (SNO) न्यूयॉर्क के ब्रुकहवेन नेशनल लेबोरेटरी के भौतिकविदों ने लैब के स्टार डिटेक्टर में यहां दिखाया, जो दक्षिण डकोटा में होमस्टेक खदान के नीचे स्थित एक न्यूट्रिनो बीम को शूट करने की उम्मीद करता है। (बीएनएल) मिनेसोटा में MINOS न्यूट्रिनो डिटेक्टर इलिनोइस से शूट किए गए न्यूट्रिनो के बीम का लक्ष्य है। (फ़र्मिलाब विज़ुअल मीडिया सर्विसेज) KATRIN स्पेक्ट्रोमीटर, जो न्यूट्रिनो के द्रव्यमान को मापेगा, एक प्रयोगशाला में जर्मनी के रास्ते Leopoldshafen के माध्यम से निचोड़ा जाएगा। (कारल्सरुही प्रौद्योगिकी संस्थान) अंटार्कटिका में आइसक्यूब न्यूट्रिनो डिटेक्टर बर्फ में एम्बेडेड है। 5, 000 सेंसर 70 से अधिक लाइनों से जुड़े होने के साथ, आइसक्यूब न्यूट्रिनो की तलाश करेगा जो कि ग्रह से 8, 000 मील की दूरी से गुजरे हैं। (विस्कॉन्सिन-मैडिसन विश्वविद्यालय) सेंसर की एक स्ट्रिंग 8, 000 फुट गहरे छेद में उतरती है। (जिम हौगेन / नेशनल साइंस फाउंडेशन)