Current-readout technique for ultra-high-rate experiments

उच्च-ऊर्जा भौतिकी की दुनिया में, वैज्ञानिक पदार्थ की मौलिक प्रकृति की जांच करने के लिए अक्सर कण पुंजों (particle beams) पर भरोसा करते हैं। मयून (muons) जैसे कणों से बने ये पुंज लक्ष्यों (targets) से टकराते हैं और अन्य कणों की बौछार पैदा करते हैं जिन्हें डिटेक्टर्स को पकड़ना और गिनना होता है। दशकों से, इसे करने का मानक तरीका हर एक कण को एक अलग घटना के रूप में मानना रहा है, जैसे टिन की छत पर गिरने वाली बारिश की प्रत्येक बूंद को गिनना। प्रत्येक बूंद एक सूक्ष्म विद्युत स्पंदन (pulse) उत्पन्न करती है, और डिटेक्टर गिनता है कि एक सेकंड में कितने स्पंदन आए। यह विधि तब खूबसूरती से काम करती है जब बारिश हल्की होती है। हालाँकि, जब पुंज अविश्वसनीय रूप से तीव्र हो जाता है, तो बारिश एक मूसलाधार बारिश में बदल जाती है। स्पंदन इतनी तेजी से आते हैं कि वे आपस में मिल जाते हैं और एक ही, अपरिचित शोर की दीवार में बदल जाते हैं। 'पाइलअप' (pileup) के रूप में जानी जाने वाली यह घटना पारंपरिक काउंटरों को एक कण से दूसरे को अलग करने की क्षमता खोने का कारण बनती है, जिससे डिटेक्टर प्रभावी रूप से उन घटनाओं के प्रति अंधा हो जाता है जिनका अध्ययन करने के लिए उसे बनाया गया है। जब दरें प्रति सेकंड करोड़ों हिट्स तक पहुँच जाती हैं, तो पुरानी गिनती की विधि एक कठिन सीमा (ceiling) से टकरा जाती है, जिससे वैज्ञानिकों को या तो पुंज को कमजोर करना पड़ता है या यह स्वीकार करना पड़ता है कि वे सबसे तीव्र अंतःक्रियाओं को नहीं माप सकते।

रिक्क्यो यूनिवर्सिटी और जापान के हाई एनर्जी एक्सेलेरेटर रिसर्च ऑर्गनाइजेशन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस मूसलाधार बारिश के बीच से देखने का एक नया तरीका विकसित किया है। व्यक्तिगत बूंदों को गिनने के बजाय, उन्होंने छत पर गिरने वाले पानी के कुल वजन को मापने का निर्णय लिया। अपने हालिया कार्य में, उन्होंने एक ऐसी तकनीक का प्रदर्शन किया जो डिटेक्टर से बहने वाली निरंतर विद्युत धारा (current) को कैप्चर करती है, न कि इसे अलग-अलग स्पंदनों में विभाजित करने की कोशिश करती है। इस करंट को एक सुचारू, डिजिटाइज्ड वेवफॉर्म के रूप में रिकॉर्ड करके, उन्होंने पाया कि सिग्नल का कुल वोल्टेज उन कणों की संख्या के सीधे आनुपातिक है जो डिटेक्टर से टकरा रहे हैं, भले ही वे कण प्रति सेकंड एक अरब से अधिक की दर से आ रहे हों। यह दृष्टिकोण पाइलअप की सीमाओं और उस "डेड टाइम" (dead time) को दरकिनार कर देता है जो पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक्स को गणना के बीच रुकने के लिए मजबूर करता है। शोधकर्ताओं ने सफलतापूर्वक इस पद्धति को जापान प्रोटॉन एक्सेलेरेटर रिसर्च कॉम्प्लेक्स में एक मयून प्रयोग पर लागू किया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि वे उन तीव्रताओं पर मयून के क्षय (decay) की दर और स्पिन व्यवहार को माप सकते हैं जो पारंपरिक उपकरणों को पूरी तरह से अभिभूत कर देतीं।

यह प्रयोग एक ऐसे केंद्र में आयोजित किया गया था जहाँ प्रोटॉन का एक शक्तिशाली पुंज लक्ष्य से टकराकर मयों के प्रवाह को जन्म देता है। ये मयून फिर एक पतली धातु की चादर में रुक जाते हैं, जहाँ वे पॉज़िट्रॉन (positrons) में क्षय होते हैं। एक विशिष्ट सेटअप में, स्टॉपर के चारों ओर रखे गए डिटेक्टर इन पॉज़िट्रॉन को एक-एक करके गिनते हैं। हालाँकि, शोधकर्ता यह परीक्षण करना चाहते थे कि जब पुंज को उसकी अधिकतम तीव्रता पर सेट किया जाता है, तो क्या होता है, जिससे एक सिंगल डिटेक्टर पर प्रति सेकंड लगभग 10 करोड़ पॉज़िट्रॉन की दर उत्पन्न होती है। इस गति पर, पॉज़िट्रॉन से आने वाले विद्युत स्पंदन इतनी बुरी तरह से ओवरलैप हो जाते हैं कि एक मानक काउंटर एक अराजक शोर देखेगा और काम करना बंद कर देगा। इस समस्या को हल करने के लिए, टीम ने अपने डिटेक्टर्स को एक हाई-स्पीड डिजिटाइज़र से जोड़ा जिसने हर दो अरबवें सेकंड में विद्युत धारा के वोल्टेज को रिकॉर्ड किया। उन्होंने वोल्टेज में व्यक्तिगत स्पाइक्स (spikes) को पहचानने की कोशिश नहीं की; इसके बजाय, उन्होंने समय के साथ वोल्टेज का योग किया।

जब उन्होंने डेटा का विश्लेषण किया, तो एक स्पष्ट पैटर्न उभर कर आया। उनके द्वारा रिकॉर्ड किए गए कुल वोल्टेज ने एक सुचारू वक्र (curve) बनाया जो अपेक्षित मयून व्यवहार से पूरी तरह मेल खाता था। भले ही व्यक्तिगत स्पंदन पूरी तरह से आपस में मिल गए थे, वोल्टेज सिग्नल की समग्र ऊंचाई आने वाले कणों की संख्या के सटीक अनुपात में ऊपर और नीचे गई। इसने पुष्टि की कि यह विधि व्यक्तिगत स्पंदनों को हल किए बिना भी घटना दरों को सटीक रूप से माप सकती है। शोधकर्ताओं ने अपने मापों की सांख्यिकीय विश्वसनीयता की भी जांच की। उन्होंने पाया कि वोल्टेज सिग्नल में यादृच्छिक उतार-चढ़ाव (random fluctuations) संभाव्यता के नियमों के अनुसार बिल्कुल वैसे ही व्यवहार करते हैं, जैसा कि सिग्नल मजबूत होने पर अनुमानित रूप से बढ़ता है। इसने उन्हें अपने मापों की अनिश्चितता को विश्वास के साथ गणना करने की अनुमति दी, जिससे यह सिद्ध हुआ कि यह तकनीक केवल एक मोटा अनुमान नहीं बल्कि एक सटीक वैज्ञानिक उपकरण है।

उनके कार्य का सबसे आश्चर्यजनक पहलुओं में से एक यह था कि इसने उपकरणों की भौतिक सीमाओं को कैसे संभाला। प्रयोग में उपयोग किए गए डिटेक्टर, जो मूल रूप से फोटोमल्टीप्लायर नामक प्रकाश-संवेदनशील ट्यूब हैं, की एक अधिकतम क्षमता होती है। यदि बहुत अधिक कण एक साथ आते हैं, तो ट्यूब स्वयं संतृप्त (saturated) हो सकती है, जिससे वह अधिक करंट उत्पन्न करने में असमर्थ हो जाती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इन ट्यूबों को दी जाने वाली वोल्टेज को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, वे सिस्टम को उस दर से कहीं आगे ले जा सकते हैं जो पहले संभव माना जाता था। एक परीक्षण में, उन्होंने 140 मिलियन हिट्स प्रति सेकंड की दर पर बिना किसी संतृप्ति के एक स्थिर माप प्राप्त किया। एक अन्य विन्यास (configuration) में, उन्होंने अनुमान लगाया कि सिस्टम सैद्धांतिक रूप से प्रति सेकंड एक अरब से अधिक हिट्स को संभाल सकता है, बशर्ते इलेक्ट्रॉनिक्स वोल्टेज को प्रबंधित कर सके। इससे पता चलता है कि बाधा अब आने वाले कणों की भौतिकी नहीं है, बल्कि केवल इलेक्ट्रॉनिक्स की करंट को बिना किसी विकृति के रिकॉर्ड करने की क्षमता है।

केवल कणों को तेज़ी से गिनने से परे, शोधकर्ताओं ने पाया कि यह विधि सूचना को संसाधित करने के नए तरीके खोलती है। पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक्स में, लॉजिक गेट्स एक बाइनरी सिस्टम पर काम करते हैं, जहाँ एक सिग्नल या तो "ऑन" होता है या "ऑफ", जो 1 या 0 का प्रतिनिधित्व करता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि उनके निरंतर वोल्टेज सिग्नल का उपयोग अलग तरह से तार्किक संचालन (logical operations) करने के लिए किया जा सकता है। दो अलग-अलग डिटेक्टरों के वोल्टेज सिग्नल को गुणा या जोड़कर, वे एक 'कोइन्सिडेंस मेजरमेंट' (coincidence measurement) बना सकते थे। उदाहरण के लिए, यदि उन्होंने दो डिटेक्टरों के सिग्नल को गुणा किया, तो परिणाम एक नया सिग्नल था जो केवल तभी दिखाई देता था जब दोनों डिटेक्टर सक्रिय होते, जो प्रभावी रूप से एक "AND" गेट के रूप में कार्य करता था। यह तब भी काम कर गया जब व्यक्तिगत स्पंदन गिनने के लिए बहुत तेज़ थे। यह खोज बताती है कि उच्च-गति डेटा प्रोसेसिंग का भविष्य केवल बाइनरी स्विचों पर निर्भर नहीं होगा, बल्कि एनालॉग सिग्नलों का उपयोग कर सकता है जो अपनी तीव्रता में अधिक जानकारी ले जाते हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक ग्रेस्केल इमेज ब्लैक-एंड-व्हाइट इमेज की तुलना में अधिक विवरण ले जाती है।

टीम ने अपने नए तरीके की तुलना एक मानक डिटेक्टर सिस्टम से भी की जो पारंपरिक पल्स काउंटिंग का उपयोग करता है। पारंपरिक प्रणाली प्रति चैनल लगभग दस लाख हिट्स प्रति सेकंड की दर पर डेटा खोना और संतृप्ति दिखाना शुरू कर देती है। इसके विपरीत, नई करंट-रीडआउट तकनीक सैकड़ों गुना उच्च दरों पर भी सटीक डेटा प्रदान करती रही। यह अंतर भविष्य के प्रयोगों के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है, जहाँ वैज्ञानिक उन बीमों का उपयोग करने की आशा करते हैं जो वर्तमान में उपलब्ध बीमों की तुलना में बहुत अधिक शक्तिशाली हैं। गिनती की सीमा को हटाकर, यह तकनीक शोधकर्ताओं को इन पुंजों की पूरी तीव्रता का उपयोग करने की अनुमति देती है, जिससे मौलिक कण गुणों के अधिक सटीक मापन की संभावना बढ़ती है। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि हालांकि इस पद्धति के लिए डिटेक्टरों की विशिष्ट विशेषताओं को ध्यान में रखते हुए सावधानीपूर्वक अंशांकन (calibration) की आवश्यकता होती है, फिर भी परिणाम विभिन्न प्रयोगात्मक स्थितियों में सुदृढ़ और पुनरुत्पादक (reproducible) थे।

इस कार्य के निहितार्थ केवल कण भौतिकी तक ही सीमित नहीं हैं। अत्यधिक उच्च दर की घटनाओं को बिना डेटा खोए मापने की क्षमता किसी भी ऐसे क्षेत्र को लाभ पहुँचा सकती है जो तीव्र संकेतों का पता लगाने पर निर्भर करता है, जैसे चिकित्सा इमेजिंग से लेकर सामग्री विज्ञान तक। मूल विचार सरल है: जब व्यक्तिगत घटनाओं का शोर अलग करने के लिए बहुत अधिक हो जाता है, तो कुल प्रवाह को मापें। व्यक्तिगत वस्तुओं को गिनने के बजाय निरंतर प्रवाह को मापने पर ध्यान केंद्रित करके, शोधकर्ताओं ने तूफान के बीच से स्पष्ट रूप से देखने का एक तरीका खोज लिया है। उनका कार्य प्रदर्शित करता है कि सही दृष्टिकोण के साथ, अतीत की सीमाओं को पार किया जा सकता है, जिससे वैज्ञानिक उन तीव्रताओं पर ब्रह्मांड की खोज कर सकते हैं जो पहले पहुंच से बाहर थीं। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि यह करंट-रीडआउट तकनीक अगली पीढ़ी के उच्च-दर वाले प्रयोगों के लिए एक व्यवहार्य और शक्तिशाली उपकरण है, जो एक ऐसा मार्ग प्रशस्त करती है जहाँ कणों की गति अब हमारी समझ की सीमाओं को निर्धारित नहीं करती है।