نیوٹرینو آسکیلیشن تجربات کے ساتھ کائنات کے مادّے-مخالف مادّے کی اسمیت کے اسرار سے پردہ اٹھانا

T2K، ایک لمبی بیس لائن نیوٹرینو جاپان میں دولن کے تجربے نے حال ہی میں ایک مشاہدے کی اطلاع دی ہے جہاں انہیں بنیادی جسمانی خصوصیات کے درمیان فرق کے مضبوط ثبوت کا پتہ چلا ہے۔ neutrinos اور اس سے متعلقہ اینٹی میٹر کے ہم منصب، اینٹی نیوٹرینو۔ یہ مشاہدہ سائنس کے سب سے بڑے رازوں میں سے ایک کی وضاحت کرنے کی طرف اشارہ کرتا ہے - اس کے تسلط کی وضاحت فرق پڑتا ہے میں کائنات اینٹی میٹر سے زیادہ، اور اس طرح ہمارا وجود۔

۔ فرق پڑتا ہے-مخالف مادّہ کی توازن کائنات

کاسمولوجی کے نظریہ کے مطابق، ذرات اور ان کے اینٹی پارٹیکلز بگ بینگ کے دوران تابکاری سے جوڑے میں پیدا ہوئے تھے۔ اینٹی پارٹیکلز اینٹی میٹرز ہیں جو تقریبا ایک جیسی جسمانی خصوصیات رکھتے ہیں۔ فرق پڑتا ہے ہم منصب یعنی ذرات، الیکٹرک چارج اور مقناطیسی خصوصیات کے علاوہ جو الٹ ہیں۔ تاہم، کے کائنات موجود ہے اور صرف مادّے سے بنا ہے اس بات کی نشاندہی کرتا ہے کہ بگ بینگ کے دوران کچھ مادّے کے اینٹی میٹر کی ہم آہنگی ٹوٹ گئی تھی، جس کی وجہ سے جوڑے دوبارہ تابکاری پیدا کرتے ہوئے مکمل طور پر ختم نہیں کر سکتے تھے۔ طبیعیات دان اب بھی CP-symmetry کی خلاف ورزی کے دستخطوں کی تلاش میں ہیں، جس کے نتیجے میں ابتدائی طور پر ٹوٹے ہوئے مادّے کی ضد کی ہم آہنگی کی وضاحت ہو سکتی ہے۔ کائنات.

CP-symmetry دو مختلف سمیٹریوں کی پیداوار ہے - چارج کنجگیشن (C) اور برابری ریورسل (P)۔ چارج کنجگیشن C جب کسی چارج شدہ پارٹیکل پر لاگو ہوتا ہے تو اس کے چارج کا نشان بدل جاتا ہے، اس لیے مثبت چارج شدہ ذرہ منفی چارج ہو جاتا ہے اور اس کے برعکس۔ غیر جانبدار ذرات C کے عمل کے تحت غیر تبدیل شدہ رہتے ہیں۔ برابری-ریورسل سمیٹری اس ذرہ کے مقامی نقاط کو الٹ دیتی ہے جس پر یہ عمل کر رہا ہے – لہذا دائیں ہاتھ والا ذرہ بائیں ہاتھ بن جاتا ہے، جیسا کہ جب کوئی آئینے کے سامنے کھڑا ہوتا ہے۔ آخر میں، جب CP دائیں ہاتھ والے منفی چارج شدہ پارٹیکل پر کام کرتا ہے، تو یہ بائیں ہاتھ سے مثبت چارج شدہ پارٹیکل میں تبدیل ہو جاتا ہے، جو کہ اینٹی پارٹیکل ہے۔ اس طرح فرق پڑتا ہے اور antimatter CP-symmetry کے ذریعے ایک دوسرے سے متعلق ہیں۔ اس لیے مشاہدہ تیار کرنے کے لیے CP کی خلاف ورزی کی گئی ہوگی۔ مادہ-اینٹی میٹر کی مطابقتجس کی طرف سب سے پہلے سخاروف نے 1967 میں اشارہ کیا تھا (1)۔

چونکہ کشش ثقل، برقی مقناطیسی کے ساتھ ساتھ مضبوط تعاملات CP-symmetry کے تحت متغیر ہوتے ہیں، فطرت میں CP-خلاف ورزی کو تلاش کرنے کی واحد جگہ کوارک اور/یا لیپٹون کی صورت میں ہے، جو کمزور تعامل کے ذریعے تعامل کرتے ہیں۔ اب تک، کوارک سیکٹر میں CP کی خلاف ورزی کو تجرباتی طور پر ماپا گیا ہے، تاہم، یہ بہت چھوٹا ہے کائنات. اس لیے لیپٹن سیکٹر میں CP کی خلاف ورزی کو سمجھنا طبیعیات دانوں کے لیے خصوصی دلچسپی کا حامل ہے تاکہ اس کے وجود کو سمجھ سکیں۔ کائنات. لیپٹن سیکٹر میں سی پی کی خلاف ورزی کو لیپٹوجینیسیس (2) نامی عمل کے ذریعے مادے کے اینٹی میٹر کی مطابقت کی وضاحت کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔

نیوٹرینو کیوں اہم ہیں؟

نیوٹرینو صفر برقی چارج کے ساتھ فطرت کے سب سے چھوٹے، بڑے ذرات ہیں۔ برقی طور پر غیر جانبدار ہونا، neutrinos برقی مقناطیسی تعاملات نہیں ہوسکتے ہیں، اور ان میں مضبوط تعاملات بھی نہیں ہوتے ہیں۔ نیوٹرینو میں 0.1 eV (~ 2 × 10-) کے چھوٹے بڑے پیمانے ہوتے ہیں۔³⁷kg)، اس لیے کشش ثقل کا تعامل بھی بہت کمزور ہے۔ واحد رستہ neutrinos دوسرے ذرات کے ساتھ بات چیت کر سکتے ہیں مختصر فاصلے کے کمزور تعامل کے ذریعے ہے.

کی یہ کمزوری سے بات چیت کرنے والی خاصیت neutrinosتاہم، ان کو دور فلکی طبیعی اشیاء کا مطالعہ کرنے کے لیے ایک دلچسپ تحقیق بناتا ہے۔ یہاں تک کہ فوٹون بھی دھول، گیس کے ذرات اور انٹرسٹیلر میڈیم میں موجود پس منظر کی شعاعوں سے دھندلا، پھیلا اور بکھرے جا سکتے ہیں، neutrinos زیادہ تر بغیر کسی رکاوٹ کے گزر سکتے ہیں اور زمین پر مبنی ڈٹیکٹر تک پہنچ سکتے ہیں۔ موجودہ سیاق و سباق میں، کمزور تعامل کے باعث، نیوٹرینو سیکٹر CP کی خلاف ورزی میں حصہ ڈالنے کے لیے ایک قابل عمل امیدوار ہو سکتا ہے۔

نیوٹرینو دولن اور CP کی خلاف ورزی

نیوٹرینو کی تین قسمیں ہیں (𝜈) - 𝜈_𝑒, 𝜈_𝜇 اور 𝜈_𝜏 - ہر ایک لیپٹن ذائقوں کے ساتھ منسلک ہے الیکٹران (ای)، میوون (𝜇) اور تاؤ (𝜏)۔ نیوٹرینو اسی ذائقہ کے چارج شدہ لیپٹن کے ساتھ مل کر کمزور تعامل کے ذریعے ذائقہ-ایجینسٹیٹس کے طور پر تیار اور ان کا پتہ لگایا جاتا ہے، جب کہ وہ مخصوص ماس کے ساتھ ریاستوں کے طور پر پروپیگنڈہ کرتے ہیں، جسے ماس-ایجنسٹیٹ کہتے ہیں۔ اس طرح منبع پر مخصوص ذائقہ کا نیوٹرینو بیم کچھ راستے کی لمبائی سے گزرنے کے بعد پتہ لگانے کے مقام پر تینوں مختلف ذائقوں کا مرکب بن جاتا ہے - مختلف ذائقہ کی حالتوں کا تناسب نظام کے پیرامیٹرز پر منحصر ہوتا ہے۔ یہ رجحان نیوٹرینو دولن کے طور پر جانا جاتا ہے، جو ان چھوٹے ذرات کو بہت خاص بناتا ہے!

نظریاتی طور پر، نیوٹرینو فلیور-ایجین سٹیٹس میں سے ہر ایک کو تینوں ماس-ایجین سٹیٹس کے ایک لکیری امتزاج کے طور پر ظاہر کیا جا سکتا ہے اور اس کے برعکس اور اختلاط کو ایک یونٹری میٹرکس کے ذریعے بیان کیا جا سکتا ہے جسے Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) میٹرکس کہا جاتا ہے۔ ،3,4)۔ اس 3 جہتی یکجہتی مکسنگ میٹرکس کو تین مکسنگ زاویوں اور پیچیدہ مراحل سے پیرامیٹرائز کیا جا سکتا ہے۔ ان پیچیدہ مراحل میں سے، نیوٹرینو دولن صرف ایک مرحلے کے لیے حساس ہے، جس کا نام 𝛿 ہے۔_𝐶𝑃، اور یہ لیپٹن سیکٹر میں CP کی خلاف ورزی کا منفرد ذریعہ ہے۔ 𝛿_𝐶𝑃 −180° اور 180° کی حد میں کوئی بھی قدر لے سکتا ہے۔ جبکہ 𝛿_𝐶𝑃=0,±180° کا مطلب ہے کہ نیوٹرینو اور اینٹی نیوٹرینو یکساں برتاؤ کرتے ہیں اور CP محفوظ ہے، 𝛿_𝐶𝑃=±90° معیاری ماڈل کے لیپٹن سیکٹر میں زیادہ سے زیادہ CP کی خلاف ورزی کی نشاندہی کرتا ہے۔ کوئی بھی درمیانی قدر مختلف ڈگریوں پر CP کی خلاف ورزی کی نشاندہی کرتی ہے۔ لہذا 𝛿 کی پیمائش_𝐶𝑃 نیوٹرینو فزکس کمیونٹی کے اہم ترین مقاصد میں سے ایک ہے۔

دولن پیرامیٹرز کی پیمائش

نیوٹرینو جوہری رد عمل کے دوران وافر مقدار میں پیدا ہوتے ہیں، جیسے سورج، دوسرے ستاروں اور سپرنووا میں۔ وہ جوہری مرکز کے ساتھ اعلی توانائی والی کائناتی شعاعوں کے تعامل کے ذریعے زمین کے ماحول میں بھی پیدا ہوتے ہیں۔ نیوٹرینو فلوکس کا اندازہ لگانے کے لیے، تقریباً 100 ٹریلین ہر سیکنڈ میں ہم سے گزرتے ہیں۔ لیکن ہمیں اس کا احساس تک نہیں ہے کیونکہ وہ بہت کمزور تعامل کر رہے ہیں۔ یہ نیوٹرینو دولن کے تجربات کے دوران نیوٹرینو خصوصیات کی پیمائش کو واقعی ایک مشکل کام بنا دیتا ہے!

ان مضحکہ خیز ذرات کی پیمائش کرنے کے لیے، نیوٹرینو ڈٹیکٹر بڑے ہوتے ہیں، جن میں کلو ٹن ماس ہوتا ہے اور اعدادوشمار کے لحاظ سے اہم نتائج حاصل کرنے میں تجربات کو کئی سال لگتے ہیں۔ ان کے کمزور تعاملات کی وجہ سے، سائنس دانوں کو تجرباتی طور پر پہلے نیوٹرینو کا پتہ لگانے میں تقریباً 25 سال لگے جب پاؤلی نے 1932 میں جوہری بیٹا تنزلی میں توانائی کی رفتار کے تحفظ کی وضاحت کرنے کے لیے اپنی موجودگی کی تصدیق کی (اعداد و شمار (5 فیصد) میں دکھایا گیا ہے)۔

سائنسدانوں نے 90% (99.73𝜎) اعتماد (3) پر 6% سے زیادہ درستگی کے ساتھ تینوں مکسنگ زاویوں کی پیمائش کی ہے۔ مرکب زاویوں میں سے دو شمسی اور ماحولیاتی نیوٹرینو کے دوغلوں کی وضاحت کے لیے بڑے ہیں، تیسرا زاویہ (جس کا نام 𝜃 ہے₁₃) چھوٹی ہے، سب سے موزوں قیمت تقریباً 8.6° ہے، اور اسے تجرباتی طور پر حال ہی میں 2011 میں چین میں ری ایکٹر نیوٹرینو تجربہ Daya-Bay کے ذریعے ماپا گیا تھا۔ پی ایم این ایس میٹرکس میں، مرحلہ 𝛿_𝐶𝑃 صرف مجموعہ گناہ میں ظاہر ہوتا ہے۔₁₃𝑒^{±𝑖𝛿_𝐶𝑃,} 𝛿 کی تجرباتی پیمائش کرنا_𝐶𝑃 مشکل.

وہ پیرامیٹر جو کوارک اور نیوٹرینو سیکٹر دونوں میں CP کی خلاف ورزی کی مقدار کا تعین کرتا ہے اسے Jarlskog invariant کہتے ہیں 𝐽_𝐶𝑃 (7)، جو زاویوں کو ملانے اور CP کی خلاف ورزی کرنے والے مرحلے کا ایک فنکشن ہے۔ کوارک سیکٹر کے لیے 𝐽_𝐶𝑃~ 3. 10^-5 جبکہ نیوٹرینو سیکٹر 𝐽 کے لیے_𝐶𝑃~0.033 گناہ𝛿_𝐶𝑃، اور اس طرح 𝐽 سے بڑی شدت کے تین آرڈرز تک ہو سکتے ہیں۔_𝐶𝑃 کوارک سیکٹر میں، 𝛿 کی قدر پر منحصر ہے۔_𝐶𝑃.

T2K کا نتیجہ - مادے کی ضد مادّہ کی مطابقت کے اسرار کو حل کرنے کی طرف اشارہ

طویل بیس لائن نیوٹرینو دولن کے تجربے T2K (جاپان میں ٹوکائی سے کامیوکا) میں، نیوٹرینو یا اینٹی نیوٹرینو شعاعیں جاپان پروٹون ایکسلریٹر ریسرچ کمپلیکس (J-PARC) میں پیدا کی جاتی ہیں اور سپر کامیوکانڈے کے واٹر-سیرینکوف ڈیٹیکٹر پر پائی جاتی ہیں۔ زمین سے 295 کلومیٹر کا فاصلہ طے کرنے کے بعد۔ چونکہ یہ ایکسلریٹر 𝜈 میں سے کسی ایک کی بیم بنا سکتا ہے۔_𝜇 یا اس کا اینٹی پارٹیکل 𝜈̅𝜇، اور ڈیٹیکٹر 𝜈 کا پتہ لگا سکتا ہے_𝜇,𝜈_𝑒 اور ان کے اینٹی پارٹیکلز 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒، ان کے پاس چار مختلف دولن کے عمل کے نتائج ہوتے ہیں اور یہ دولن پیرامیٹرز پر موثر حد حاصل کرنے کے لیے تجزیہ کر سکتے ہیں۔ تاہم، CP کی خلاف ورزی کرنے والا مرحلہ 𝛿_𝐶𝑃 صرف اس عمل میں ظاہر ہوتا ہے جب نیوٹرینو ذائقوں کو تبدیل کرتے ہیں یعنی دوغلوں میں 𝜈𝜇→𝜈𝑒 اور 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 – ان دونوں عملوں میں کوئی بھی فرق لیپٹن سیکٹر میں CP کی خلاف ورزی کا اشارہ دے گا۔

ایک حالیہ مواصلت میں، T2K تعاون نے 2009 اور 2018 (8) کے دوران جمع کیے گئے ڈیٹا کا تجزیہ کرتے ہوئے، نیوٹرینو سیکٹر میں CP کی خلاف ورزی پر دلچسپ حدوں کی اطلاع دی ہے۔ اس نئے نتیجے نے 𝛿 کی تمام ممکنہ اقدار کے تقریباً 42% کو مسترد کر دیا۔_𝐶𝑃. زیادہ اہم بات یہ ہے کہ جب CP کو محفوظ کیا جاتا ہے تو اس معاملے کو 95% اعتماد کے ساتھ مسترد کر دیا گیا ہے، اور اسی وقت فطرت میں زیادہ سے زیادہ CP کی خلاف ورزی کو ترجیح دی جاتی ہے۔

ہائی انرجی فزکس کے میدان میں، نئی دریافت کا دعویٰ کرنے کے لیے 5𝜎 (یعنی 99.999%) اعتماد درکار ہے، اس لیے CP کی خلاف ورزی کرنے والے مرحلے کی دریافت کے لیے کافی اعداد و شمار اور اعلیٰ درستگی حاصل کرنے کے لیے اگلی نسل کے تجربات کی ضرورت ہے۔ تاہم حالیہ T2K نتیجہ مادّے کے مخالف مادّہ کی ہم آہنگی کے بارے میں ہماری سمجھ کی طرف ایک اہم پیشرفت ہے۔ کائنات نیوٹرینو سیکٹر میں CP کی خلاف ورزی کے ذریعے، پہلی بار۔

***

حوالہ جات:

1. سخاروف، آندرے ڈی، 1991۔ ''سی پی انویرینس کی خلاف ورزی، سی اسمیٹری، اور کائنات کی بیریون اسمیٹری''۔ سوویت طبیعیات اسپیکھی، 1991، 34 (5)، 392–393۔ DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497

2. باری پاسکویل ڈی، 2012. لیپٹوجنیسیس اور نیوٹرینو خصوصیات کا تعارف۔ معاصر طبیعیات والیم 53، 2012 - شمارہ 4 صفحات 315-338۔ DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096

3. ماکی زیڈ.، ناکاگاوا ایم. اور ساکاٹا ایس.، 1962. ابتدائی ذرات کے متحد ماڈل پر ریمارکس۔ نظریاتی طبیعیات کی پیشرفت، جلد 28، شمارہ 5، نومبر 1962، صفحات 870–880، DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870

4. Pontecorvo B.، 1958. الٹا بیٹا عمل اور لیپٹن چارج کا عدم تحفظ۔ تجرباتی اور نظریاتی طبیعیات کا جریدہ (یو ایس ایس آر) 34، 247-249 (جنوری، 1958)۔ آن لائن دستیاب ہے۔ http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. 23 اپریل 2020 کو رسائی ہوئی۔

5. انڈکٹیو لوڈ، 2007. بیٹا مائنس ڈیکی۔ [image online] پر دستیاب ہے۔ https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. 23 اپریل 2020 کو رسائی ہوئی۔

6. تنباشی ایم، وغیرہ۔ (پارٹیکل ڈیٹا گروپ)، 2018۔ نیوٹرینو ماسز، مکسنگ، اور آسکیلیشنز، فز۔ Rev. D98, 030001 (2018) اور 2019 اپ ڈیٹ۔ DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001

7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog جواب دیتا ہے۔ طبیعات Rev. Lett. 57، 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875

8. T2K تعاون، 2020. معاملے پر پابندی – نیوٹرینو دوسلن میں اینٹی میٹر کی ہم آہنگی کی خلاف ورزی کا مرحلہ۔ فطرت جلد 580، صفحہ 339–344(2020)۔ شائع شدہ: 15 اپریل 2020۔ DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0

***