Scintillation characteristics of an undoped CsI crystal at low-temperature for dark matter search
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि SiPMs के साथ युग्मित अनडोपड (undoped) CsI क्रिस्टल कम तापमान (86 K) पर काफी उन्नत प्रकाश आउटपुट और क्षय समय (decay times) प्रदर्शित करते हैं, जो उन्हें स्पिन-डिपेंडेंट इंटरैक्शन के माध्यम से कम-द्रव्यमान वाले डार्क मैटर की खोज के लिए एक आशाजनक, विश्व-प्रतिस्पर्धी डिटेक्टर के रूप में स्थापित करता है।
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पृथ्वी की सतह के बहुत नीचे, भूमिगत प्रयोगशालाओं की शांत चुप्पी में, वैज्ञानिक उस फुसफुसाहट को सुनने की कोशिश कर रहे हैं जो पहले कभी नहीं सुनी गई है। वे डार्क मैटर (dark matter) की खोज कर रहे हैं, एक अदृश्य पदार्थ जो ब्रह्मांड के अधिकांश द्रव्यमान का निर्माण करता है लेकिन प्रकाश या साधारण पदार्थ के साथ किसी भी तरह से अंतःक्रिया करने से इनकार करता है जिसे हम आसानी से पहचान सकें। इसे खोजने के लिए, शोधकर्ता संवेदनशील डिटेक्टर बनाते हैं जो डार्क मैटर के एक कण और उनके उपकरण में मौजूद एक परमाणु के बीच एक दुर्लभ, सूक्ष्म टकराव का इंतजार करते हैं। चुनौती यह है कि ये टकराव अविश्वसनीय रूप से मंद होते हैं, जो अक्सर इतनी कम ऊर्जा पर होते हैं कि संकेत परिवेश के बैकग्राउंड शोर में आसानी से दब जाता है। इस फुसफुसाहट को सुनने के लिए, वैज्ञानिकों को ऐसे पदार्थों की आवश्यकता है जो टकराने पर, यहाँ तक कि सबसे छोटे प्रहार पर भी, चमकें, और उन्हें एक ऐसे परिवेश में सुनने की आवश्यकता है जहाँ का तापमान परमाणुओं की थर्मल चटर-पटर (thermal chatter) को शांत करने के लिए पर्याप्त ठंडा हो।
इस प्रयास में, शोधकर्ताओं का ध्यान एक विशिष्ट प्रकार के क्रिस्टल की ओर गया: अनडोपड सीज़ियम आयोडाइड (undoped cesium iodide)। उन क्रिस्टल के विपरीत जिनका उपयोग अक्सर मेडिकल स्कैनर या अन्य डिटेक्टरों में किया जाता है, जिन्हें चमकने के लिए अन्य रसायनों के साथ मिलाया जाता है, यह सामग्री शुद्ध है। वैज्ञानिक यह देखना चाहते थे कि क्या इस शुद्ध क्रिस्टल को लिक्विड नाइट्रोजन के हिमांक तक ठंडा करने से यह एक बेहतर 'श्रोता' बन जाएगा। उन्होंने क्रिस्टल के एक छोटे, एक ग्राम के टुकड़े से सीधे दो छोटे, अत्यधिक संवेदनशील लाइट सेंसर जोड़े और पूरे असेंबली को एक वैक्यूम चैंबर के अंदर रख दिया। तापमान को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, वे देख सकते थे कि जैसे-जैसे क्रिस्टल कमरे के तापमान से 86 केल्विन तक ठंडा हुआ, वह कैसे व्यवहार करता है।
उन्होंने जो पाया वह एक नाटकीय परिवर्तन था। जैसे-जैसे क्रिस्टल अधिक ठंडा होता गया, विकिरण (radiation) से टकराने पर यह बहुत अधिक चमकने लगा। कमरे के तापमान पर, क्रिस्टल थोड़ी मात्रा में प्रकाश उत्पन्न करता था, लेकिन जैसे ही तापमान गिरकर 86 केल्विन हुआ, प्रकाश का आउटपुट बारह गुना से अधिक बढ़ गया। चमक में यह उछाल महत्वपूर्ण है क्योंकि इसका अर्थ है कि डिटेक्टर उन बहुत छोटी घटनाओं को देख सकता है जो अन्यथा अदृश्य रहतीं। इस उज्ज्वल चमक के साथ-साथ, क्रिस्टल ने समय के साथ अपनी प्रतिक्रिया देने के तरीके को भी बदल लिया। इसके द्वारा उत्सर्जित प्रकाश की चमक ठंडे वातावरण में बहुत अधिक लंबी हो गई, जो कमरे के तापमान पर कुछ दर्जन नैनोसेकंड से बढ़कर सबसे कम तापमान पर लगभग छह सौ नैनोसेकंड तक पहुँच गई। यह धीमी गिरावट (slow decay) डिटेक्टर को सिग्नल के आकार का विश्लेषण करने के लिए अधिक समय देती है, जिससे वैज्ञानिकों को डार्क मैटर के वास्तविक प्रहार और यादृच्छिक बैकग्राउंड शोर के बीच अंतर करने में मदद मिलती है।
शोधकर्ताओं ने स्वयं सेंसरों पर भी बारीकी से ध्यान दिया, जो सिलिकॉन से बने हैं और ज्ञात है कि वे अपना आंतरिक शोर उत्पन्न करते हैं, विशेष रूप से गर्म होने पर। उन्होंने यह मापा कि ये सेंसर कितनी बार गलत तरीके से फायर (fire falsely) करते हैं और पाया कि तापमान गिरने के साथ यह शोर लगभग शून्य हो गया। इन कारकों का सावधानीपूर्वक लेखा-जोखा रखकर, उन्होंने पुष्टि की कि ठंडे क्रिस्टल का चमकीला, धीमा और शांत व्यवहार वास्तविक और विश्वसनीय था। उन्होंने इस छोटे पैमाने के परीक्षण का उपयोग एक बहुत बड़े प्रयोग की कल्पना करने के लिए किया। उन्होंने इसी अनडोपड क्रिस्टल के 200 किलोग्राम का उपयोग करके एक डिटेक्टर बनाने का प्रस्ताव रखा, जिसे बड़े ब्लॉकों में व्यवस्थित किया जाएगा और इन सिलिकॉन सेंसरों के एरे (arrays) द्वारा पढ़ा जाएगा।
चूंकि सीज़ियम आयोडाइड के परमाणुओं में उनके आंतरिक स्पिन से संबंधित एक विशिष्ट गुण होता है, इसलिए यह सामग्री विशेष रूप से डार्क मैटर के एक विशिष्ट प्रकार की खोज के लिए अच्छी है जो प्रोटॉन के साथ अंतःक्रिया करता है। टीम ने यह देखने के लिए सिमुलेशन चलाया कि यदि इस 200 किलोग्राम के डिटेक्टर को लिक्विड नाइट्रोजन तापमान तक ठंडा किया जाए तो यह कैसा प्रदर्शन करेगा। परिणाम बताते हैं कि ऐसी मशीन अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील होगी, जो 60 मिलियन से 2 बिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट के बीच के द्रव्यमान वाले डार्क मैटर कणों का पता लगाने में सक्षम होगी। इस विशिष्ट कण भार सीमा में, प्रस्तावित डिटेक्टर उस स्तर की संवेदनशीलता प्राप्त कर सकता है जो वर्तमान में दुनिया के सर्वश्रेष्ठ प्रयोगों का मुकाबला करती है या उनसे बेहतर है। अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि शुद्ध सीज़ियम आयोडाइड के अद्वितीय गुणों को आधुनिक सिलिकॉन सेंसरों और अत्यधिक ठंड की शक्ति के साथ जोड़कर, वैज्ञानिकों के पास ब्रह्मांड के छिपे हुए कोनों को खोजने के लिए एक आशाजनक नया उपकरण है, जो संभावित रूप से डार्क मैटर के उस प्रकार के लिए एक खिड़की खोल सकता है जो अब तक पहुंच से बाहर रहा है।
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