کائنات کا ایک نیا نقشہ، کائناتی نیوٹرینو کے ساتھ پینٹ | کوانٹا میگزین

100 ٹریلین نیوٹرینو میں سے جو ہر سیکنڈ آپ کے پاس سے گزرتے ہیں، زیادہ تر سورج یا زمین کے ماحول سے آتے ہیں۔ لیکن ذرات کا ایک ٹکڑا - جو باقیوں سے زیادہ تیزی سے آگے بڑھ رہے ہیں - یہاں طاقتور ذرائع سے دور دور تک سفر کرتے ہیں۔ کئی دہائیوں سے، ماہرین فلکیات نے ان "کائناتی" نیوٹرینو کی اصل تلاش کی ہے۔ اب، آئس کیوب نیوٹرینو آبزرویٹری نے آخر کار ان میں سے کافی جمع کر لیے ہیں تاکہ بتانے والے نمونوں کو ظاہر کیا جا سکے کہ وہ کہاں سے آ رہے ہیں۔

ایک اخبار میں آج شائع ہوا۔ سائنسٹیم نے آکاشگنگا کا پہلا نقشہ نیوٹرینو میں ظاہر کیا۔ (عام طور پر ہماری کہکشاں کو فوٹون، روشنی کے ذرات کے ساتھ نقشہ بنایا جاتا ہے۔) نیا نقشہ پوری آکاشگنگا سے نکلنے والے کائناتی نیوٹرینو کے پھیلے ہوئے کہرے کو ظاہر کرتا ہے، لیکن عجیب بات یہ ہے کہ کوئی بھی انفرادی ذریعہ الگ نہیں ہے۔ "یہ ایک معمہ ہے،" کہا فرانسس ہالزن، جو IceCube کی قیادت کرتا ہے۔

نتائج ایک کی پیروی کرتے ہیں۔ آخری موسم خزاں سے آئس کیوب کا مطالعہمیں بھی سائنس، یہ کائناتی نیوٹرینو کو انفرادی ماخذ سے جوڑنے والا پہلا تھا۔ اس نے ظاہر کیا کہ اب تک آبزرویٹری کے ذریعے دریافت کیے گئے کائناتی نیوٹرینو کا ایک بڑا حصہ ایک "فعال" کہکشاں کے قلب سے آیا ہے جسے NGC 1068 کہا جاتا ہے۔ کہکشاں کے چمکتے ہوئے مرکز میں، مادہ ایک مرکزی سپر میسیو بلیک ہول میں گھومتا ہے، کسی طرح کائناتی نیوٹرینو بناتا ہے۔ دوران عمل.

"یہ واقعی تسلی بخش ہے،" نے کہا کیٹ شولبرگ، ڈیوک یونیورسٹی میں ایک نیوٹرینو طبیعیات دان جو تحقیق میں شامل نہیں تھے۔ "انہوں نے حقیقت میں ایک کہکشاں کی نشاندہی کی ہے۔ یہ وہ چیز ہے جس کی پوری نیوٹرینو فلکیات کی کمیونٹی ہمیشہ سے کرنے کی کوشش کر رہی ہے۔

کائناتی نیوٹرینو ذرائع کی نشاندہی کرنا بنیادی طبیعیات کی نئی تحقیقات کے طور پر ذرات کو استعمال کرنے کا امکان کھولتا ہے۔ محققین نے دکھایا ہے کہ نیوٹرینو کا استعمال پارٹیکل فزکس کے موجودہ معیاری ماڈل میں دراڑیں کھولنے اور یہاں تک کہ کشش ثقل کی کوانٹم وضاحتوں کی جانچ کے لیے بھی کیا جا سکتا ہے۔

اس کے باوجود کم از کم کچھ کائناتی نیوٹرینو کی اصل کی شناخت صرف ایک پہلا قدم ہے۔ اس بارے میں بہت کم معلوم ہے کہ کس طرح کچھ سپر ماسیو بلیک ہولز کے گرد سرگرمی ان ذرات کو پیدا کرتی ہے، اور اب تک کے شواہد متعدد عمل یا حالات کی طرف اشارہ کرتے ہیں۔

طویل عرصے سے تلاش کی جانے والی اصل

جیسا کہ وہ بہت زیادہ ہیں، نیوٹرینو عام طور پر کوئی نشان چھوڑے بغیر زمین سے گزرتے ہیں۔ ان میں سے کافی کا پتہ لگانے کے لیے ایک بہت بڑا ڈٹیکٹر بنایا جانا تھا تاکہ وہ ان سمتوں میں پیٹرن کو دیکھ سکیں جہاں سے وہ آتے ہیں۔ IceCube، جو 12 سال پہلے بنایا گیا تھا، انٹارکٹک کی برف کی گہرائی میں بور ہونے والے ڈیٹیکٹرز کی کلومیٹر لمبی تاروں پر مشتمل ہے۔ ہر سال، IceCube اتنی زیادہ توانائی کے ساتھ درجن بھر یا اس سے زیادہ کائناتی نیوٹرینو کا پتہ لگاتا ہے کہ وہ واضح طور پر ماحولیاتی اور شمسی نیوٹرینو کے کہرے کے خلاف کھڑے ہوتے ہیں۔ مزید نفیس تجزیے باقی ڈیٹا سے اضافی امیدوار کائناتی نیوٹرینو کو چھیڑ سکتے ہیں۔

فلکیاتی طبیعیات کے ماہرین جانتے ہیں کہ ایسے توانائی بخش نیوٹرینو صرف اس وقت پیدا ہو سکتے ہیں جب تیزی سے حرکت کرنے والے جوہری مرکزے، جسے کائناتی شعاعوں کے نام سے جانا جاتا ہے، خلا میں کہیں موجود مواد سے ٹکرا جائے۔ اور کائنات میں بہت کم جگہوں پر مقناطیسی میدان اتنے مضبوط ہیں کہ کائناتی شعاعوں کو کافی توانائیوں تک لے جا سکیں۔ گاما رے کے پھٹنے، روشنی کی الٹرا برائٹ چمکیں جو اس وقت ہوتی ہیں جب کچھ ستارے سپرنووا میں جاتے ہیں یا جب نیوٹران ستارے ایک دوسرے میں گھومتے ہیں، طویل عرصے سے سوچا جاتا تھا کہ یہ سب سے زیادہ قابل اعتماد اختیارات میں سے ایک ہے۔ واحد حقیقی متبادل فعال کہکشاں مرکزے، یا AGNs — کہکشائیں تھیں جن کے مرکزی سپر ماسیو بلیک ہولز مادے کے اندر آتے ہی ذرات اور تابکاری کو باہر نکالتے ہیں۔

گاما رے برسٹ تھیوری نے 2012 میں زمین کھو دی، جب فلکیاتی طبیعیات دانوں نے محسوس کیا کہ اگر یہ روشن پھٹنے کے ذمہ دار تھے، تو ہم ان کو دیکھنے کی توقع کریں گے۔ بہت سے زیادہ کائناتی نیوٹرینو ہم سے زیادہ. پھر بھی تنازعہ طے ہونے سے بہت دور تھا۔

پھر، 2016 میں، IceCube نے جب بھی کسی کائناتی نیوٹرینو کا پتہ چلا تو الرٹ بھیجنا شروع کیا، جس سے دوسرے فلکیات دانوں کو اس سمت میں دوربینوں کو تربیت دینے کے لیے آمادہ کیا گیا جہاں سے یہ آیا تھا۔ اگلے ستمبر، وہ عارضی طور پر TXS نامی ایک فعال کہکشاں کے ساتھ ایک کائناتی نیوٹرینو کو ملایا 0506+056، یا مختصراً TXS، جو ایک ہی وقت میں ایکس رے اور گاما شعاعوں کے شعلے خارج کر رہا تھا۔ "اس نے یقینی طور پر بہت زیادہ دلچسپی کو جنم دیا،" کہا مارکوس سینٹینڈر، الاباما یونیورسٹی میں آئس کیوب کا ایک ساتھی۔

زیادہ سے زیادہ کائناتی نیوٹرینو جمع کیے گئے، اور آسمان کا ایک اور ٹکڑا ماحولیاتی نیوٹرینو کے پس منظر کے خلاف کھڑا ہونا شروع ہوا۔ اس پیچ کے بیچ میں قریبی فعال کہکشاں NGC 1068 ہے۔ تجزیہ کے ایک حصے کے طور پر، IceCube کے سائنسدانوں نے اپنی دوربین کو دوبارہ ترتیب دیا اور مصنوعی ذہانت کا استعمال کیا تاکہ اس کی حساسیت کو آسمان کے مختلف حصوں میں بہتر طور پر سمجھا جا سکے۔ انہوں نے پایا کہ 1 میں 100,000 سے بھی کم امکان ہے کہ NGC 1068 کی سمت سے آنے والے نیوٹرینو کی کثرت ایک بے ترتیب اتار چڑھاؤ ہے۔

شماریاتی یقین کہ TXS ایک کائناتی نیوٹرینو ذریعہ ہے اس سے زیادہ پیچھے نہیں ہے، اور ستمبر میں، IceCube نے شاید TXS کے آس پاس سے ایک نیوٹرینو ریکارڈ کیا جس کا ابھی تک تجزیہ نہیں کیا گیا ہے۔

"ہم جزوی طور پر اندھے تھے؛ ایسا لگتا ہے کہ ہم نے توجہ مرکوز کر دی ہے،" ہالزن نے کہا۔ "دوڑ گاما رے کے پھٹنے اور فعال کہکشاؤں کے درمیان تھی۔ اس دوڑ کا فیصلہ ہو چکا ہے۔"

فزیکل میکانزم

یہ دو AGNs آسمان میں سب سے روشن نیوٹرینو ذرائع معلوم ہوتے ہیں، پھر بھی، حیران کن طور پر، وہ بہت مختلف ہیں۔ TXS AGN کی ایک قسم ہے جسے بلیزر کے نام سے جانا جاتا ہے: یہ اعلی توانائی کی تابکاری کے جیٹ کو براہ راست زمین کی طرف گولی مارتا ہے۔ اس کے باوجود ہم ایسا کوئی جیٹ NGC 1068 سے اپنے راستے کی طرف اشارہ نہیں کرتے۔ اس سے پتہ چلتا ہے کہ فعال کہکشاؤں کے قلب میں مختلف میکانزم کائناتی نیوٹرینو کو جنم دے سکتے ہیں۔ "ذرائع زیادہ متنوع معلوم ہوتے ہیں،" کہا جولیا تجس، جرمنی کی روہر یونیورسٹی بوخم میں ایک نظریاتی فلکیاتی طبیعیات دان اور آئس کیوب کے رکن۔

ہالزین کو شبہ ہے کہ NGC 1068 میں ایکٹو کور کے ارد گرد کچھ مواد موجود ہے جو نیوٹرینو پیدا ہونے کے ساتھ گاما شعاعوں کے اخراج کو روکتا ہے۔ لیکن عین مطابق طریقہ کار کسی کا اندازہ ہے۔ "ہم فعال کہکشاؤں کے کور کے بارے میں بہت کم جانتے ہیں کیونکہ وہ بہت پیچیدہ ہیں،" انہوں نے کہا۔

آکاشگنگا میں پیدا ہونے والے کائناتی نیوٹرینو چیزوں کو مزید الجھاتے ہیں۔ ہماری کہکشاں میں اس طرح کے اعلی توانائی والے ذرات کے کوئی واضح ذرائع نہیں ہیں - خاص طور پر، کوئی فعال کہکشاں نیوکلئس نہیں ہے۔ ہماری کہکشاں کا مرکز لاکھوں سالوں سے ہلچل نہیں کر رہا ہے۔

ہالزن کا قیاس ہے کہ یہ نیوٹرینو ہماری کہکشاں کے پہلے، فعال مرحلے میں پیدا ہونے والی کائناتی شعاعوں سے آتے ہیں۔ "ہم ہمیشہ بھول جاتے ہیں کہ ہم وقت میں ایک لمحہ دیکھ رہے ہیں،" انہوں نے کہا۔ "جن ایکسلریٹروں نے یہ کائناتی شعاعیں بنائی ہیں شاید انہیں لاکھوں سال پہلے بنا دیا گیا ہو۔"

آسمان کی نئی تصویر میں جو چیز نمایاں ہے وہ NGC 1068 اور TXS جیسے ذرائع کی شدید چمک ہے۔ آکاشگنگا، قریبی ستاروں اور گرم گیس سے بھری ہوئی ہے، جب فلکیات فوٹان کے ساتھ دیکھتے ہیں تو دیگر تمام کہکشاؤں کو پیچھے چھوڑ دیتی ہے۔ لیکن جب اسے نیوٹرینو میں دیکھا جاتا ہے تو، "حیرت انگیز بات یہ ہے کہ ہم اپنی کہکشاں کو بمشکل دیکھ سکتے ہیں،" ہالزن نے کہا۔ "آسمان پر ایکسٹرا گیلیکٹک ذرائع کا غلبہ ہے۔"

آکاشگنگا کے اسرار کو ایک طرف رکھتے ہوئے، ماہرین فلکیات تاریک مادے، کوانٹم کشش ثقل اور نیوٹرینو رویے کے نئے نظریات کا مطالعہ کرنے کے لیے دور دراز، روشن ذرائع کا استعمال کرنا چاہتے ہیں۔

بنیادی طبیعیات کی جانچ کرنا

نیوٹرینو نایاب اشارے پیش کرتے ہیں کہ ذرات کے ایک مکمل نظریہ کو معیاری ماڈل کے نام سے جانا جاتا مساوات کے 50 سال پرانے سیٹ کو ختم کرنا ہوگا۔ یہ ماڈل ابتدائی ذرات اور قوتوں کو قریب قریب کامل درستگی کے ساتھ بیان کرتا ہے، لیکن جب نیوٹرینو کی بات آتی ہے تو اس میں غلطی ہوتی ہے: یہ پیش گوئی کرتا ہے کہ غیر جانبدار ذرات بڑے پیمانے پر نہیں ہیں، لیکن وہ بالکل نہیں ہیں۔

طبیعیات دانوں نے 1998 میں دریافت کیا کہ نیوٹرینو اپنی تین مختلف اقسام کے درمیان شکل بدل سکتے ہیں۔ مثال کے طور پر، سورج کی طرف سے خارج ہونے والا ایک الیکٹران نیوٹرینو زمین تک پہنچنے تک میوون نیوٹرینو میں تبدیل ہو سکتا ہے۔ اور شکل بدلنے کے لیے، نیوٹرینو کا بڑے پیمانے پر ہونا ضروری ہے — دوغلے صرف اس صورت میں معنی رکھتے ہیں جب ہر نیوٹرینو نوع تین مختلف (تمام بہت چھوٹے) ماسز کا کوانٹم مرکب ہو۔

درجنوں تجربات نے ذرہ طبیعیات دانوں کو بتدریج مختلف نیوٹرینو - شمسی، ماحولیاتی، لیبارٹری سے تیار کردہ دوغلی نمونوں کی تصویر بنانے کی اجازت دی ہے۔ لیکن AGNs سے پیدا ہونے والے کائناتی نیوٹرینو بہت بڑے فاصلوں اور توانائیوں میں ذرات کے دوغلی رویے پر ایک نظر پیش کرتے ہیں۔ یہ انہیں "طبیعیات کے لیے ایک انتہائی حساس تحقیقات بناتا ہے جو معیاری ماڈل سے باہر ہے،" نے کہا۔ کارلوس آرگیلس-پتلا، ہارورڈ یونیورسٹی میں ایک نیوٹرینو طبیعیات دان جو وسیع IceCube تعاون کا حصہ بھی ہیں۔

کائناتی نیوٹرینو کے ذرائع اتنے دور ہیں کہ نیوٹرینو کے دوغلے دھندلے ہو جائیں - جہاں بھی فلکی طبیعیات دان دیکھتے ہیں، وہ تینوں نیوٹرینو اقسام میں سے ہر ایک کا مستقل حصہ دیکھنے کی توقع کرتے ہیں۔ ان حصوں میں کوئی بھی اتار چڑھاؤ اس بات کی نشاندہی کرے گا کہ نیوٹرینو دولن کے ماڈلز پر دوبارہ غور کرنے کی ضرورت ہے۔

ایک اور امکان یہ ہے کہ کائناتی نیوٹرینو سفر کے دوران تاریک مادے کے ساتھ تعامل کرتے ہیں، جیسا کہ بہت سے لوگوں نے پیش گوئی کی ہے۔ تاریک شعبے کے ماڈل. یہ ماڈل تجویز کرتے ہیں کہ کائنات کا پوشیدہ مادہ متعدد قسم کے غیر چمکدار ذرات پر مشتمل ہے۔ ان تاریک مادے کے ذرات کے ساتھ تعامل نیوٹرینو کو مخصوص توانائیوں کے ساتھ بکھیر دے گا۔ ایک خلا پیدا کریں کائناتی نیوٹرینو کے سپیکٹرم میں جو ہم دیکھتے ہیں۔

یا خلائی وقت کا کوانٹم ڈھانچہ خود نیوٹرینو پر گھسیٹ سکتا ہے، انہیں سست کر سکتا ہے۔ حال ہی میں اٹلی میں مقیم ایک گروپ میں بحث کی فطرت کے انتشار کہ آئس کیوب ڈیٹا اس کے ہونے کے اشارے دکھاتا ہے، لیکن دوسرے طبیعیات دان شکی رہے ہیں۔ ان دعووں میں سے

اس طرح کے اثرات لمحہ بہ لمحہ ہوں گے، لیکن خلا کی دوری ان کو قابل شناخت سطح تک بڑھا سکتی ہے۔ "یہ یقینی طور پر ایسی چیز ہے جو تلاش کرنے کے قابل ہے،" سکولبرگ نے کہا۔

پہلے ہی، Argüelles-ڈیلگاڈو اور ساتھیوں نے خلائی وقت کے کوانٹم ڈھانچے کے ثبوت تلاش کرنے کے لیے - NGC 1068 جیسے مخصوص ذرائع کے بجائے - کاسمک نیوٹرینو کے پھیلے ہوئے پس منظر کا استعمال کیا ہے۔ جیسے وہ میں رپورٹ کیا فطرت طبیعیات اکتوبر میں، انہیں کچھ نہیں ملا، لیکن آئس کیوب ڈیٹیکٹر میں موجود الیکٹران نیوٹرینو سے نیوٹرینو کی تیسری قسم — تاؤ — کو الگ کرنے میں دشواری کی وجہ سے ان کی تلاش میں رکاوٹ پیدا ہوئی۔ شریک مصنف نے کہا کہ "بہتر ذرہ کی شناخت" کی ضرورت ہے۔ ٹیپی کٹوری کنگز کالج لندن کے۔ کے لیے تحقیق جاری ہے۔ دو قسموں کو الگ کریں.

کٹوری کا کہنا ہے کہ کائناتی نیوٹرینو ذرائع کے مخصوص مقامات اور طریقہ کار کو جاننا نئی طبیعیات کے لیے ان تلاشوں کی حساسیت میں "بڑی چھلانگ" پیش کرے گا۔ ہر نیوٹرینو قسم کا صحیح حصہ ماخذ ماڈل پر منحصر ہے، اور سب سے زیادہ مقبول ماڈل، اتفاق سے، یہ پیش گوئی کرتے ہیں کہ تین نیوٹرینو کی انواع کی برابر تعداد زمین پر آئے گی۔ لیکن کائناتی نیوٹرینو کو ابھی تک اتنا خراب سمجھا گیا ہے کہ تینوں اقسام کے حصوں میں کسی بھی مشاہدہ شدہ عدم توازن کی غلط تشریح کی جا سکتی ہے۔ نتیجہ کوانٹم گریویٹی، تاریک مادّہ یا ٹوٹے ہوئے نیوٹرینو اوسلیشن ماڈل کا نتیجہ ہو سکتا ہے — یا کائناتی نیوٹرینو کی پیداوار کی محض دھندلی طبیعیات۔ (تاہم، کچھ تناسب نئی طبیعیات کے "تمباکو نوشی کی بندوق" کے دستخط ہوں گے، ارگیلس نے کہا-ڈیلگاڈو۔)

کٹوری نے کہا کہ بالآخر، ہمیں مزید بہت سے کائناتی نیوٹرینو کا پتہ لگانے کی ضرورت ہے۔ اور ایسا لگتا ہے جیسے ہم کریں گے۔ آئس کیوب کو اگلے چند سالوں میں 10 کیوبک کلومیٹر تک اپ گریڈ اور بڑھایا جا رہا ہے، اور اکتوبر میں سائبیریا میں بیکل جھیل کے نیچے ایک نیوٹرینو ڈیٹیکٹر اپنا پہلا مشاہدہ پوسٹ کیا۔ TXS سے کائناتی نیوٹرینو کا۔

اور بحیرہ روم کی گہرائی میں، نیوٹرینو ڈیٹیکٹر کے درجنوں تاروں کو اجتماعی طور پر بلایا جاتا ہے۔ KM3NeT کوسمک نیوٹرینو آسمان کا ایک تکمیلی نظارہ پیش کرنے کے لیے آبدوز روبوٹ کے ذریعے سمندری فرش پر باندھا جا رہا ہے۔ "دباؤ بہت زیادہ ہیں؛ مارسیل پارٹیکل فزکس سنٹر میں ریسرچ کے ڈائریکٹر اور تجربے کے ترجمان پاسچل کوئل نے کہا کہ سمندر بہت معاف کرنے والا ہے۔ لیکن "ہمیں آسمان کی چھان بین کرنے والی مزید دوربینوں اور مزید مشترکہ مشاہدات کی ضرورت ہے، جو اب آرہی ہے۔"