कैसे एक असफल परमाणु प्रयोग ने गलती से न्यूट्रिनो खगोल विज्ञान उत्पन्न किया

न्यूट्रिनों की उपस्थिति को डिटेक्टर की दीवारों पर स्थित फोटोइलेक्ट्रोनिक मल्टीप्लायरों की वैक्यूम ट्यूबों पर दिखने वाले चेरनकोव विकिरण के छल्ले द्वारा पहचाना जा सकता है। यह अवलोकन न्यूट्रिनो खगोल विज्ञान पद्धति की सफलता को प्रदर्शित करता है। यह छवि एक साथ कई घटनाओं को दिखाती है।

कभी-कभी यहां तक ​​कि सबसे सफलतापूर्वक डिज़ाइन किए गए प्रयोग विफल होते हैं। आप जिस प्रभाव की तलाश कर रहे हैं वह नहीं हो सकता है, इसलिए आपको हमेशा शून्य परिणाम के लिए तैयार रहना चाहिए। ऐसे मामलों में, प्रयोग असफल के रूप में चिह्नित किया जाता है, हालांकि इसे आयोजित किए बिना, आप इसके परिणामों के बारे में कभी नहीं जानते होंगे।

और फिर भी, कभी-कभी आपके द्वारा निर्मित इकाई पूरी तरह से कुछ अलग करने के लिए संवेदनशील हो सकती है। विज्ञान को एक नए तरीके से, एक नई संवेदनशीलता के साथ या नई, अनूठी परिस्थितियों में, हम अक्सर सबसे अप्रत्याशित और सफल खोज करते हैं। 1987 में, प्रोटॉन क्षय का पता लगाने के लिए एक असफल प्रयोग ने पहली बार न्युट्रीनो की खोज की जो न केवल हमारे सौर मंडल से आया, बल्कि मिलन वे के बाहर भी था। इसलिए न्यूट्रिनो खगोल विज्ञान का जन्म हुआ।


एक प्रोटॉन, एक इलेक्ट्रॉन और एक एंटी-इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो में एक न्यूट्रॉन का रूपांतरण, पॉलि द्वारा इस तरह की एक परिकल्पना है, जो बीटा क्षय में संरक्षित ऊर्जा की समस्या को हल करने के लिए आगे नहीं आती है।

न्यूट्रिनो सैद्धांतिक भौतिकी की सबसे बड़ी सफलता की कहानियों में से एक है। 20 वीं शताब्दी की शुरुआत में, तीन प्रकार के रेडियोधर्मी क्षय ज्ञात थे:

1. अल्फा क्षय , जिसमें एक बड़ा परमाणु एक हीलियम नाभिक का उत्सर्जन करता है, और आवधिक तालिका के नीचे दो तत्व कूदता है।
2. बीटा क्षय , जिसमें परमाणु नाभिक एक उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉन का उत्सर्जन करता है, एक तत्व को आवर्त सारणी तक ले जाता है।
3. गामा क्षय , जिसमें परमाणु नाभिक एक ऊर्जा फोटॉन का उत्सर्जन करता है, आवधिक तालिका में इसके सेल में शेष है।

किसी भी प्रतिक्रिया में, भौतिकी के नियमों के अनुसार, अभिकारकों की प्रारंभिक ऊर्जा और गति को प्रतिक्रिया उत्पादों के कुल ऊर्जा और गति के साथ मेल खाना चाहिए। और अल्फा क्षय और गामा क्षय के मामले में यह था। लेकिन बीटा क्षय में, इस नियम का सम्मान नहीं किया गया था: ऊर्जा हमेशा खो गई थी।


वी-आकार का पता लगाने की संभावना एक इलेक्ट्रॉन और दो न्यूट्रिनों में क्षय होने वाले म्यूऑन द्वारा छोड़ी गई थी। एक फ्रैक्चर के साथ एक उच्च ऊर्जा ट्रेस उड़ान में एक कण के क्षय को इंगित करता है। इस तरह के एक क्षय, यदि न्यूट्रिनो को इसमें शामिल नहीं किया गया है, तो ऊर्जा के संरक्षण के कानून का उल्लंघन होता है।

1930 में, वोल्फगैंग पाउली ने एक नए कण की शुरुआत का प्रस्ताव रखा जो इस समस्या को हल करेगा: न्यूट्रिनो। यह छोटा सा तटस्थ कण अपने साथ ऊर्जा और गति ले जा सकता है, लेकिन इसका पता लगाना बेहद मुश्किल होगा। यह प्रकाश को अवशोषित नहीं करता है और प्रकाश का उत्सर्जन नहीं करता है, और केवल परमाणुओं के नाभिक के साथ बातचीत करता है, इसके अलावा, यह अत्यंत दुर्लभ है।

यह सुझाव देने के बाद, पाउली को आत्मविश्वास और खुशी नहीं हुई, बल्कि शर्मिंदगी महसूस हुई। "मैंने कुछ भयानक किया, मैंने एक कण के अस्तित्व की घोषणा की जिसे पता नहीं लगाया जा सकता है," उन्होंने घोषणा की। लेकिन, उनके बहाने के बावजूद, सिद्धांत की प्रयोगात्मक रूप से पुष्टि की गई थी।


प्रायोगिक आरए -6 परमाणु रिएक्टर, पानी में प्रकाश की तुलना में तेजी से आगे बढ़ने वाले कणों के कारण विशेषता चेरनकोव विकिरण दिखा रहा है। न्यूट्रिनोस (या, अधिक सटीक रूप से, एंटीन्यूट्रिनो), जो अस्तित्व की परिकल्पना 1930 में पाउली द्वारा पहली बार सामने रखी गई थी, 1956 में एक समान परमाणु रिएक्टर में खोज की गई थी।

1956 में, न्यूट्रिनोस (या, अधिक सटीक रूप से, एंटीन्यूट्रिनो) को पहली बार सीधे परमाणु रिएक्टर के उत्पादों के रूप में पाया गया था। न्यूट्रीनो परमाणु नाभिक के साथ दो तरीकों से बातचीत कर सकता है:

• वे या तो अलग हो जाते हैं, एक बिलियर्ड बॉल के तरीके से उछलते हुए, दूसरों के झुंड में दुर्घटनाग्रस्त हो जाते हैं,
• या नए कणों के उत्सर्जन का कारण बनता है, उनकी ऊर्जा और गति के साथ।

किसी भी मामले में, आप कण डिटेक्टरों का निर्माण कर सकते हैं जहां आप न्यूट्रिनो के साथ बातचीत की उम्मीद करते हैं और उनकी तलाश करते हैं। इस प्रकार पहला न्यूट्रिनो पाया गया: वैज्ञानिकों ने परमाणु रिएक्टरों के किनारों पर न्यूट्रिनो की उपस्थिति के संकेतों के प्रति संवेदनशील डिटेक्टरों का निर्माण किया। और यदि आप न्यूट्रिनोस सहित प्रतिक्रिया उत्पादों की सभी ऊर्जा को फिर से बनाते हैं, तो यह पता चलता है कि ऊर्जा अभी भी संरक्षित है।


बड़े पैमाने पर परमाणु नाभिक में परमाणु बीटा क्षय के योजनाबद्ध चित्रण। न्यूट्रिनो की ऊर्जा और गति को ध्यान में रखकर ही कोई संरक्षण कानूनों को पूरा कर सकता है

सिद्धांत रूप में, न्यूट्रिनों को किसी भी परमाणु प्रतिक्रिया में दिखाई देना चाहिए: सूर्य में, सितारों और सुपरनोवा में, जब उच्च-ऊर्जा ब्रह्मांडीय किरणें पृथ्वी के वायुमंडल के कणों से टकराती हैं। 1960 के दशक तक, भौतिकविदों ने पहले से ही सौर और वायुमंडलीय न्यूट्रिनो की खोज में न्यूट्रिनो डिटेक्टरों का निर्माण किया था।

इन न्यूट्रिनो डिटेक्टरों में बड़ी मात्रा में सामग्री होती थी जिसके साथ न्यूट्रिनों को बातचीत करनी होती थी। अन्य कणों से डिटेक्टरों को अस्पष्ट करने के लिए, वे गहरे भूमिगत स्थित थे: खानों में। केवल न्यूट्रिनो को खानों में प्रवेश करना चाहिए; अन्य कणों को पृथ्वी द्वारा अवशोषित किया जाना चाहिए। 1960 के दशक के उत्तरार्ध तक, सौर और वायुमंडलीय न्यूट्रिनो का सफलतापूर्वक पता लगाया गया था।


होमस्टेक गोल्ड माइन दक्षिण डकोटा के लीड सिटी के पहाड़ों में काटता है। यह 123 साल पहले खोला गया था, और 2,400 मीटर की गहराई से 1,100 टन से अधिक सोने का उत्पादन किया गया था। 1968 में, जॉन बैकाल और रे डेविस द्वारा विकसित एक प्रयोग में, यहां पहले न्यूट्रिनो की खोज की गई थी।

न्यूट्रिनोस और उच्च-ऊर्जा त्वरक के साथ प्रयोगों के लिए विकसित कण पहचान तकनीक, एक और घटना के लिए उपयुक्त हो गई: प्रोटॉन के क्षय की खोज। हालांकि पार्टिकल फिजिक्स का स्टैंडर्ड मॉडल एक प्रोटॉन की पूरी स्थिरता की भविष्यवाणी करता है, इसके कई एक्सटेंशन में - उदाहरण के लिए, ग्रैंड यूनिफिकेशन के सिद्धांतों में - एक प्रोटॉन हल्के कणों में क्षय कर सकता है।

सैद्धांतिक रूप से, जब एक प्रोटॉन का क्षय होता है, तो इसे उच्च गति पर छोटे द्रव्यमान के कणों का उत्सर्जन करना चाहिए। यदि आप इन तेजी से बढ़ते कणों की ऊर्जा और गति पाते हैं, तो आप उनकी कुल ऊर्जा को फिर से बना सकते हैं और समझ सकते हैं कि क्या यह एक प्रोटॉन था।


उच्च ऊर्जा कण दूसरों के साथ टकरा सकते हैं, जिससे नए कणों की बौछार हो सकती है जो डिटेक्टर द्वारा पता लगाया जा सकता है। उनमें से प्रत्येक की ऊर्जा, गति और अन्य गुणों को फिर से बनाने के बाद, हम यह निर्धारित कर सकते हैं कि शुरू में क्या टकराया था, और इस घटना में क्या दिखाई दिया

यदि प्रोटॉन क्षय करते हैं, तो उनका जीवनकाल बेहद लंबा होना चाहिए। ब्रह्मांड स्वयं केवल 10 ¹⁰ साल पुराना है, लेकिन प्रोटॉन जीवनकाल अधिक लंबा होना चाहिए। लेकिन कितना और? इसे हल करने की कुंजी यह है कि आपको एक प्रोटॉन की निगरानी करने की आवश्यकता नहीं है, लेकिन उनमें से एक बड़ी संख्या। यदि प्रोटॉन का जीवनकाल 10 ³⁰ वर्ष है, तो आप या तो एक प्रोटॉन ले सकते हैं और इतने लंबे समय तक (एक बुरा विचार) प्रतीक्षा कर सकते हैं, या 10 ³⁰ प्रोटॉन ले सकते हैं और एक वर्ष प्रतीक्षा कर सकते हैं, यदि उनमें से कोई भी क्षय हो।

एक लीटर पानी में 10 ²⁵ से अधिक अणु होते हैं, और प्रत्येक अणु में दो हाइड्रोजन परमाणु होते हैं: कक्षा में एक इलेक्ट्रॉन के साथ एक प्रोटॉन। यदि प्रोटॉन अस्थिर है, तो चारों ओर बड़ी संख्या में डिटेक्टरों के साथ एक पर्याप्त बड़ी पानी की टंकी आपको इसकी स्थिरता / अस्थिरता को मापने में मदद करेगी, या इसे सीमित कर सकती है।


1980 के दशक का कमिओकांडे डिटेक्टर सर्किट। टैंक की ऊंचाई लगभग 15 मीटर है।

जापान में, 1982 में, कामीओका खानों में एक बड़े भूमिगत डिटेक्टर का निर्माण शुरू हुआ। उन्हें KamiokaNDE का नाम दिया गया: Kamioka Nucleon Decay Experiment (कामीओका कोर क्षय प्रयोग)। यह इतना बड़ा था कि इसमें 3,000 टन से अधिक पानी और लगभग 1,000 डिटेक्टर एक तेजी से बढ़ते कण द्वारा उत्सर्जित विकिरण का पता लगाने के लिए अनुकूलित थे।

1987 तक, प्रोटॉन क्षय के एक भी मामले के बिना, डिटेक्टर कई वर्षों से काम कर रहा था। टैंक में लगभग 10 ³³ प्रोटॉन थे, और शून्य परिणाम ने महान एकीकरण के सिद्धांतों के बीच सबसे लोकप्रिय सिद्धांत को पूरी तरह से नकार दिया। जहां तक ​​हम बता सकते हैं, प्रोटॉन का क्षय नहीं होता है। कमिओकांडे का मुख्य लक्ष्य हासिल नहीं हुआ था।


एक सुपरनोवा विस्फोट भारी तत्वों के साथ अपने इंटरस्टेलर माध्यम को समृद्ध करता है। मुख्य विस्फोट से बहुत पहले ही बाहरी सामग्री से बाहरी छल्ले निकलते हैं। इसके अलावा, एक विस्फोट न्यूट्रिनो की एक विशाल विविधता का उत्सर्जन करता है, जिनमें से कुछ पृथ्वी तक पहुंचते हैं

लेकिन फिर कुछ अप्रत्याशित हुआ। 165,000 साल पहले, मिल्की वे की उपग्रह आकाशगंगा में, एक विशाल तारा अपने जीवन के अंत में पहुंच गया और एक सुपरनोवा को जन्म दिया। 23 फरवरी, 1987 को यह प्रकाश पहली बार पृथ्वी पर पहुंचा।

और इस दुनिया के आगमन से कुछ घंटे पहले, कमियोकांड पर कुछ उल्लेखनीय हुआ: 12 न्यूट्रिनो 13 सेकंड के अंतर के साथ पहुंचे। दो प्रकोप - पहला जिसमें 9 न्यूट्रिनो हैं, दूसरे 3 - से पता चला है कि सुपरनोवा में न्यूट्रिनो उत्पन्न करने वाली काफी परमाणु प्रतिक्रियाएं होती हैं।


तीन अलग-अलग डिटेक्टरों ने एसएन 1987 ए से न्यूट्रिनो का अवलोकन किया, और सबसे विश्वसनीय और सफल एक कमियोकेन्डे द्वारा बनाया गया था। न्यूक्लियर डेको डिटेक्टर से न्यूट्रिनो डिटेक्टर में परिवर्तन ने न्यूट्रॉन खगोल विज्ञान जैसे विज्ञान के विकास का मार्ग प्रशस्त किया

पहली बार हमने न्यूट्रिनो की खोज की जो सौर मंडल के बाहर से आया था। न्यूट्रिनो खगोल विज्ञान शुरू हुआ। अगले कुछ दिनों में, इस सुपरनोवा से प्रकाश, जिसे अब एसएन 1987 ए के रूप में जाना जाता है, को कई ग्राउंड और अंतरिक्ष वेधशालाओं में एक विशाल तरंग दैर्ध्य रेंज पर देखा गया था। न्यूट्रिनो और प्रकाश के बीच छोटे समय के अंतर के आधार पर, हमने सीखा कि न्यूट्रिनो:

• ये 165,000 प्रकाश वर्ष प्रकाश की गति से अप्रभेद्य गति से गुजरे हैं;
• उनका द्रव्यमान इलेक्ट्रॉन के द्रव्यमान के 1/30 000 से अधिक नहीं हो सकता है;
• न्यूट्रिनो अपने संकुचन तारे के मूल से उसके प्रकाश क्षेत्र की यात्रा के दौरान धीमा नहीं पड़ता, जैसा कि प्रकाश के साथ होता है।

और आज भी, 30 से अधिक वर्षों के बाद, हम एक सुपरनोवा के अवशेषों का अध्ययन कर सकते हैं और देख सकते हैं कि यह कैसे विकसित हुआ।


1987 के विस्फोट से बाहर की ओर बढ़ने वाली ब्लास्ट वेव एक बार बड़े पैमाने के तारे की पिछली उत्सर्जित सामग्री से टकराती रहती है, इस प्रक्रिया में उसे गर्म करती है और उसे उजागर करती है। कई वेधशालाएं आज भी सुपरनोवा अवशेषों की छवियों को प्राप्त करना जारी रखती हैं।

इस परिणाम के वैज्ञानिक महत्व को कम करके आंका नहीं जा सकता है। उन्होंने न्यूट्रिनो खगोल विज्ञान के उद्भव पर ध्यान दिया, जैसे ब्लैक होल के विलय से गुरुत्वाकर्षण तरंगों की पहली खोज ने गुरुत्वाकर्षण तरंग खगोल विज्ञान के जन्म को चिह्नित किया। तब मल्टीचैनल एस्ट्रोनॉमी का जन्म हुआ, पहली बार यह देखते हुए कि एक ही वस्तु को विद्युत चुम्बकीय सीमा (प्रकाश) और एक अन्य विधि (न्यूट्रिनो) के माध्यम से देखा गया था।

उसने हमें अंतरिक्ष की घटनाओं का पता लगाने के लिए बड़े भूमिगत टैंकों का उपयोग करने की क्षमता दिखाई। और वह हमें उम्मीद करता है कि किसी दिन हम एक अंतिम अवलोकन करने में सक्षम होंगे: एक घटना जिसमें प्रकाश, न्यूट्रिनो और गुरुत्वाकर्षण तरंगें सभी एक साथ आती हैं और हमें ब्रह्मांड की वस्तुओं के काम के सभी सिद्धांतों को सिखाती हैं।


मल्टीचैनल खगोल विज्ञान की अंतिम घटना दो सफेद बौनों या दो न्यूट्रॉन सितारों का विलय होगा, जो हमारे पास हुआ। अगर इस तरह की घटना पृथ्वी के पास होती है, तो हम एक साथ न्यूट्रिनो, प्रकाश और गुरुत्वाकर्षण तरंगों का पता लगा सकते हैं।

और इस परिणाम के लिए, कमियोकेन्डे प्रयोग को चतुराई से नाम दिया गया था। चूंकि Kamioka Nucleon Decay प्रयोग विफल हो गया था, KamiokaNDE रद्द कर दिया गया था। लेकिन एसएन 1987 ए से आश्चर्यजनक न्यूट्रिनो अवलोकन ने एक नई वेधशाला का निर्माण किया: KamiokaNDE, Kamioka Neutrino डिटेक्टर एक्सपेरिमेंट (Kamioka neutrino डिटेक्शन प्रयोग)! और पिछले 30 से अधिक वर्षों में, इसे कई बार अपडेट किया गया है, और दुनिया भर में कई समान संरचनाएं बनाई गई हैं।

यदि हमारी आकाशगंगा में आज एक सुपरनोवा विस्फोट हुआ, तो हम अपने डिटेक्टर पर पहुंचने वाले 10,000 न्यूट्रिनो को पंजीकृत करने के लिए भाग्यशाली होंगे। साथ में, वे प्रोटॉन के जीवनकाल को और भी गंभीर रूप से सीमित कर देंगे, जो माना जाता है कि आज 10 से अधिक ³⁵ वर्ष हो गए हैं - लेकिन हम उन्हें इसके लिए नहीं बना रहे हैं। उच्च ऊर्जा के प्रत्येक प्रलय के बाद, न्यूट्रिनो ब्रह्मांड में बिखरने के लिए दौड़ते हैं। और काम कर रहे डिटेक्टरों के साथ, न्यूट्रिनो खगोल विज्ञान रहता है, अच्छा लगता है, और जो हमें भेजता है, उसके लिए तैयार है।