न्यूट्रिनो (Neutrino)

न्यूट्रिनो (Neutrino; $\nu$ ) हे अबल आंतरक्रिया असलेले मूलभूत कण आहेत. न्यूट्रिनोंच्या तीन प्रजाती आहेत. त्यांना इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो (electron neutrino; $\nu_e$ ), म्यूऑन न्यूट्रिनो (muon neutrino; $\nu_\mu$ ) आणि टाऊ न्यूट्रिनो (tau neutrino; $\nu_\tau$ ) म्हणतात. त्यांचे गुणधर्म खालीलप्रमाणे आहेत.
१. न्यूट्रिनोंची परिवलनसंख्या (spin) 1/2 आहे. म्हणजे ते फेर्मिऑन (Fermion) असून त्यांची सांख्यिकी फेर्मी-डिरॅक सांख्यिकी आहे.
२. न्यूट्रिनो विद्युतभाररहित आहेत आणि ते अबल आंतरक्रियेद्वारे इतर कणांशी संबंध ठेवत असल्याने त्यांचे संसूचन करणे अत्यंत अवघड आहे.
३. न्यूट्रिनोंचे वस्तुमान शून्यवत आहे. सुरवातीस त्यांचे वस्तुमान शून्य आहे असे मानले जात होते. परंतु न्यूट्रिनो दोलनाच्या सिद्धांतामुळे (neutrino oscillation) त्यांचे वस्तुमान शून्य नाही असे समजले आहे. परंतु त्यांचे वस्तुमान प्रयोगांमध्ये मोजण्यास यश आलेले नाही.

इतिहास : इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो (electron neutrino; $\nu_e$ ) : बीटा ऱ्हासात ($\beta decay) इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित होतात हे आंत्वान आंरी बेक्रेल (Henri Bequerel) यांनी १९०० साली शोधले. त्यानंतर अधिक प्रयोगांनंतर आढळून आले की विशिष्ट बीटा ऱ्हासात उत्सर्जित होणाऱ्या इलेक्ट्रॉनांची ऊर्जा एकसारखी नसते. म्हणजे असा आभास होतो की ऱ्हासात ऊर्जेच्या अक्षय्यतेचा भंग होतो. तसेच बीटा ऱ्हासानंतर असलेल्या अणुकेंद्रकांची परिवलनसंख्या आणि इलेक्ट्रॉनाची परिवलनसंख्येची बेरीज ऱ्हासापूर्वीच्या अणुकेंद्राच्या परिवलनसंख्येइतकी नसते. म्हणजे बीटा ऱ्हासात कोनीय संवेगाच्या अक्षय्यतेचासुद्धा भंग होतो. ऊर्जा आणि कोनीय संवेग यांची अक्षय्यता हे भौतिकीमधील महत्त्वाची प्राथमिक तत्त्वे आहेत आणि बीटा ऱ्हासात त्यांचा भंग होणे हे एक मोठे कोडे होते.

हे कोडे सोडवण्यासाठी व्होल्फगांग पाउली (wolfgang Pauli) यांनी १९३० साली नवीन कणाचा प्रस्ताव केला. त्यांनी या कणाचा विद्युतभार शून्य, परिवलनसंख्या 1\2 आणि वस्तुमान शून्य आहे असे मानले. तसेच या कणाचा इतर कणांबरोबर केवळ अबल आंतरक्रियेद्वारा संबंध असतो असे मानले. अशा कणाचे बीटा ऱ्हासात उत्सर्जन झाले तर ऊर्जा आणि कोनीय संवेग यांच्या अक्षय्यतेच्या भंगाचे कोडे सुटते. या कणास न्यूट्रिनो (the little neutral one) असे नाव देण्यात आले. बीटा ऱ्हासात न्यूट्रॉनाचा ऱ्हास होऊन प्रोटॉन, इलेक्ट्रॉन आणि न्यूट्रिनो यांचे उत्सर्जन होत असल्याने निर्माण होणारी ऊर्जा प्रोटॉन, इलेक्ट्रॉन आणि न्यूट्रिनो यांच्या गतिज ऊर्जेत विभागली जाते. त्यामुळे वेगवेगळ्या ऱ्हासात निर्माण होणाऱ्या इलेक्ट्रॉनांची ऊर्जा भिन्न असते. तसेच न्यूट्रिनोची परिवलनसंख्या 1/2 मानल्याने ऱ्हासानंतरचे अणुकेंद्र, इलेक्ट्रॉन आणि न्यूट्रिनो यांच्या कोनीय संवेगाची बेरीज ऱ्हासापूर्वीच्या कोनीय संवेगाइतकी असते.

न्यूट्रिनो विद्युतभाररहित असल्याने आणि त्याचा अन्य कणांशी केवळ अबल आंतरक्रियाद्वारे संबंध असल्याने त्याचे संसूचन करणे अत्यंत अवघड आहे. न्यूट्रिनोचे संसूचन सर्वप्रथम सी. एल्. कॉवन (Clyde Cowan), फ्रेडरिक राइनेस (Frederick Reines) आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी १०५६ साली केले. त्यांनी त्यासाठी अणुभट्टीमधून बाहेर पडणारे प्रतिन्यूट्रिनो (antinutrino) वापरले. कारण अणुभट्ट्यांमध्ये युरेनियमच्या विखंडनानंतर तयार झालेल्या अणुकेंद्रकांचा बीटा ऱ्हास होऊन प्रतिन्यूट्रिनोंचे मोठ्या प्रमाणावर उत्सर्जन होते [अणुभट्ट्या]. प्रतिन्यूट्रिनोंच्या संसूचनासाठी त्यांनी
$P +\bar\nu\rightarrow\nu+e^+$
अभिक्रियेचा वापर केला. या प्रक्रियेत निर्माण झालेला पॉझिट्रॉन (positron) आजूबाजूस असलेल्या इलेक्ट्रॉनबरोबरील अभिक्रियेत नष्ट होऊन दोन $0.51 MeV$ ऊर्जेचे फोटॉन तयार होतात. या अभिक्रियेत निर्माण झालेले फोटॉन आणि न्यूट्रॉनांचे संसूचन करून प्रतिन्यूट्रिनो संसूचित होतो [कॉवन-राइनेसचा प्रयोग].

म्यूऑन न्यूट्रिनो (muon neutrino; $\nu_\nu$ ) : धन विद्युतभारित पाय-मेसॉनांच्या ( $\pie meson$ ) ऱ्हास झाल्यावर धन विद्युतभारित म्यू-मेसॉन ( $\mu meson$ ) आणि प्रतिन्यूट्रिनो निर्माण होतात. हा प्रतिन्यूट्रिनो न्यूट्रॉनच्या ऱ्हासात निर्माण होणाऱ्या न्यूट्रिनोपेक्षा भिन्न असतो. तसेच धन विद्युतभारित म्यू-मेसॉनच्या ऱ्हासात पॉझिट्रॉन आणि दोन न्यूट्रिनो तयार होतात. त्यांपैकी एक इलेक्ट्रॉन प्रति न्यूट्रिनो असतो आणि दुसरा इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनोहून भिन्न न्यूट्रिनो असतो. म्हणजे न्यूट्रिनोंची आणखी एक प्रजाती असते व तिला म्यूऑन न्यूट्रिनो असे म्हणतात. म्हणजे इलेक्ट्रॉन आणि म्यूऑन यांचे संबंधी (associated) न्यूट्रिनो असतात. ही संकल्पना साधारण १९४० च्या सुमारास वेगवेगळ्या शास्त्रज्ञांनी मांडली. प्रयोगांद्वारा म्यू न्यूट्रिनोंचे अस्तित्व लीऑन मॅक्स लेडरमन (Leon Max Lederman), मेल्व्हिन इव्हार्त्स (Melvin Schwartz) आणि जॅक स्टाइनबर्गर (Jack Steinberger) यांनी सिद्ध केले. हा प्रयोग त्यांनी ब्रूकहेव्हन नॅशनल प्रयोगशाळेत (Brookhaven National Laboratory) केले.

टाऊ न्यूट्रिनो (tau neutrino; $\nu_\tau$ ) : मार्टिन लुई पर्ल (Martin Lewis Perl) आणि त्याच्या सहकाऱ्यांनी केलेल्या प्रयोगात १९७४ आणि १९७७च्या दरम्यान टाऊ (Tau) कणाचा शोध लावला. हा कण इलेक्ट्रॉन आणि म्यूऑन प्रमाणे लेप्टॉन (Lepton) आहे हे समजले. त्यामुळे इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो आणि म्युऑन न्यूट्रिनोप्रमाणे टाऊ कणाच्या बरोबरचा न्य़ूट्रिनो असायला हवा असा सैद्धांतिक मतप्रवाह होता आणि अशा न्यूट्रिनोचा शोध सुरू झाला. त्याच्या संसूचनासाठी फेर्मीलॅब (Fermilab) मध्ये १९९० साली डोनट (DONUT) नावाचा प्रयोग सुरू केला गेला. नंतर २००० साली या प्रयोग यशस्वी झाला आणि टाऊ न्यूट्रिनो सापडल्याचे घोषित करण्यात आले.

न्यूट्रिनोंची वस्तुमाने : पाउली यांनी न्यूट्रिनोचे वस्तुमान शून्य असल्याचे मानले होते. इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनोच्या वस्तुमानाचे मोजमाप बीटा ऱ्हासात उत्सर्जित होणाऱ्या इलेक्ट्रॉनांच्या ऊर्जेच्या वितरणामधून करता येते. बीटा ऱ्हासात उत्सर्जित होणाऱ्या इलेक्ट्रॉन आणि न्यूट्रिनोच्या ऊर्जेची बेरीज ऱ्हासात उत्सर्जित होणाऱ्या ऊर्जेइतकी असते. त्यामुळे ही ऊर्जा आणि इलेक्ट्रॉनाची सर्वोत्तम ऊर्जा यांतील फरक न्यूट्रिनो ऊर्जेच्या वस्तुमानाइतका असतो. वेगवेगळ्या बीटा ऱ्हासांमधून उत्सर्जित होणाऱ्या इलेक्ट्रॉनांच्या ऊर्जेच्या अभ्यासानंतर असे आढळले आहे की मोजलेले न्यूट्रिनोंचे वस्तुमान शून्य वस्तुमानाशी सुसंगत आहे.

न्यूट्रिनोचे वस्तुमान शून्य असल्यास सैद्धांतिकदृष्ट्या दोन प्रकारचे न्यूट्रिनो संभवतात. त्यांना डिरॅक (Dirac) आणि मायोराना न्यूट्रिनो (Majorana neutrino) म्हणतात. सैद्धांतिकदृष्ट्या मायोराना न्यूट्रिनो आणि त्याचा हे एकच असतात. बीटा ऱ्हासातील न्यूट्रिनो जर मायोराना न्यूट्रिनो असले तर अणुकेंद्राची विद्युतभारसंख्या दोनाने बदलणारा बीटा ऱ्हास संभवतो. या ऱ्हासात न्यूट्रिनोंचे उत्सर्जन होत नाही. अशा ऱ्हासांना विनान्यूट्रिनो बीटा ऱ्हास (nutrinoless beta decay)म्हणतात. अशा विनान्यूट्रिनो बीटा ऱ्हासांचे संशोधन चालू आहे परंतु अजूनपर्यंत प्रयोगात असे ऱ्हास आढळून आलेले नाहीत. परंतु असे ऱ्हास आढळल्यास मायोराना न्यूट्रिनोंचे अस्तित्व सिद्ध होईल.

न्यूट्रिनो दोलन (Neutrino oscillation) : न्यूट्रिनोचे वस्तुमान शून्य नसेल तर बीटा ऱ्हासात उत्पन्न होणाऱ्या न्यूट्रिनोची पुंज स्थिती (quantum state) ही इलेक्ट्रॉन, म्यूऑन आणि टाऊ न्यूट्रिनो यांचे विशिष्ट प्रमाणातील मिश्रण असू शकते. परंतु नंतर त्या स्थितीचे वेळेनुसार विकास होताना या तीन न्यूट्रिनोंच्या प्रमाणात बदल होतो [पुंज स्थितींचे दोलन (oscillation of quantum states)]. त्यामुळे सुरवातीस प्रमुख्याने इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो असलेल्या पुंज स्थितीचे म्यूऑन अथवा टाऊ न्यूट्रिनोमध्ये बदल होऊ शकतो. असे दोलन न्यूट्रिनोंचे वस्तुमान शून्य असेल तर होत नाही. असे दोलन सूर्यामध्ये उत्पन्न होणाऱ्या आणि पृथ्वीवर संसूचित केलेल्या न्यूट्रिनोंमध्ये आढळले आहे. या प्रयोगांमधून न्यूट्रिनोंचे वस्तुमान शून्य नसते असे सिद्ध झाले आहे.[न्यूट्रिनो दोलन].

कळीचे शब्द : #बीटाऱ्हास #लेप्टॉन #अबलआंतरक्रिया #मायोराना #न्यूट्रिनो #दोलन

संदर्भ :