Measurement of directional muon beams generated at the Berkeley Lab Laser Accelerator
लॉरेंस बर्कले नेशनल लेबोरेटरी के शोधकर्ताओं ने एक पेटावाट लेजर-संचालित इलेक्ट्रॉन बीम और एक उच्च-Z कनवर्टर का उपयोग करके उच्च-फ्लक्स, दिशात्मक मयून बीमों के उत्पादन का सफलतापूर्वक प्रदर्शन किया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि ऐसे कॉम्पैक्ट लेजर-प्लाज्मा स्रोत ब्रह्मांडीय पृष्ठभूमि से कहीं अधिक संख्या में मयून उत्पन्न कर सकते हैं और मयून इमेजिंग अनुप्रयोगों को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ा सकते हैं।
मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
कल्पना कीजिए कि आप एक विशाल, प्राचीन किले की तस्वीर लेने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन आप किले को हिला नहीं सकते, और आपके पास इसकी मोटी पत्थर की दीवारों के पार देखने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली टॉर्च भी नहीं है। भौतिकी की दुनिया में, वैज्ञानिक इस पहेली को सुलझाने के लिए "म्यूऑन" (muon) नामक एक विशेष प्रकार के "भूतिया कण" (ghost particle) का उपयोग करते हैं। म्यूऑन अंतरिक्ष से पृथ्वी पर बरसने वाले ब्रह्मांडीय संदेशवाहकों की तरह हैं। वे भारी, तेज़ और अविश्वसनीय रूप से कठोर होते हैं, जो बिना रुके पहाड़ों और स्टील को भी भेद सकते हैं। क्योंकि वे इतने भेदने की क्षमता रखते हैं, इसलिए वैज्ञानिक इनका उपयोग छिपी हुई चीजों की तस्वीरें लेने के लिए करते हैं, जैसे कि ज्वालामुखी के भीतर या पिरामिड के गुप्त कक्षों की। इस तकनीक को "म्यूोग्राफी" (muography) कहा जाता है।
हालाँकि, इसमें एक पेच है: अंतरिक्ष से आने वाले म्यूऑन एक हल्की, स्थिर बूंदाबांदी की तरह हैं। वे धीरे-धीरे और बेतरतीब ढंग से आते हैं, इसलिए किसी बड़ी वस्तु की स्पष्ट तस्वीर पाने के लिए, आपको महीनों या यहाँ तक कि वर्षों तक पर्याप्त म्यूऑन के गुजरने या आपके डिटेक्टर से टकराने का इंतज़ार करना पड़ सकता है। यह एक घंटे में पानी की एक बूंद गिरने के इंतज़ार में बाल्टी भरने की कोशिश करने जैसा है। इस प्रक्रिया को तेज़ और व्यावहारिक बनाने के लिए, वैज्ञानिक प्रयोगशाला में ही अपनी खुद की "म्यूऑन वर्षा" बनाने का तरीका खोज रहे हैं, जिसमें शक्तिशाली लेजर का उपयोग करके मांग पर इन कणों की एक केंद्रित किरण छोड़ी जा सके। यह चुनौती लॉरेंस बर्कले नेशनल लेबोरेटरी के एक नए अध्ययन द्वारा संबोधित की गई है।
लेजर-संचालित म्यूऑन फैक्ट्री
बर्कले लैब लेजर एक्सीलरेटर (BELLA) सुविधा के इस रोमांचक नए कार्य में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने सफलतापूर्वक प्रदर्शित किया है कि कैसे एक उच्च-शक्ति वाले लेजर का उपयोग करके म्यूऑन की एक दिशात्मक किरण बनाई जा सकती है। उनके सेटअप को एक कण स्लिंगशॉट (particle slingshot) की तरह समझें। उन्होंने हाइड्रोजन गैस की एक जेट में लगभग 40 फेंटोसेकंड (जो कि 0.00000000000004 सेकंड है!) तक चलने वाला एक विशाल लेजर पल्स छोड़ा। इस परस्पर क्रिया ने समुद्र में उठने वाली लहर की तरह काम किया, जिससे एक "प्लाज्मा वेव" बनी जिसने इलेक्ट्रॉनों को पकड़ा और उन्हें अविश्वसनीय गति से त्वरित किया, जिससे वे 9.2 GeV (गीगाइलेक्ट्रॉनवोल्ट) तक की ऊर्जा तक पहुँच गए।
एक बार जब ये सुपर-फास्ट इलेक्ट्रॉन तैयार हो गए, तो टीम ने उन्हें बस अंतरिक्ष में उड़ने नहीं दिया। इसके बजाय, उन्होंने इस बीम को सुरक्षा कवच के एक विशाल ब्लॉक की ओर निर्देशित किया—जो अनिवार्य रूप से सीसा (lead), स्टील और कंक्रीट से बनी एक विशाल दीवार थी। जब उच्च-गति वाले इलेक्ट्रॉन इस दीवार से टकराए, तो वे केवल रुके नहीं; उन्होंने एक नई कणों की श्रृंखला शुरू कर दी। इस टक्कर ने नए कणों की एक बौछार पैदा की, जिसमें वे म्यूऑन भी शामिल थे जिनकी वैज्ञानिक तलाश कर रहे थे।
महान म्यूऑन खोज: भूतों को ढूँढना
टीम ने एक मोटी कंक्रीट की दीवार के पीछे एक कमरे में अपना "ट्रैप" (जाल) लगाया। उन्होंने स्किंटिलेटर (scintillators) नामक विशेष डिटेक्टरों का उपयोग किया—ये प्लास्टिक के पैनल हैं जो किसी कण के टकराने पर चमक उठते हैं। लेकिन यहाँ सबसे पेचीदा हिस्सा यह है: वह कमरा अन्य कणों (जैसे फोटॉन और इलेक्ट्रॉन) के एक अराजक तूफान से भी भरा हुआ था, जो लेजर चलने पर तुरंत पहुँच जाते हैं। यदि वैज्ञानिक केवल प्रकाश की चमक की तलाश करते, तो उन्हें एक अंधा कर देने वाला शोर दिखाई देता और उन्हें पता नहीं चलता कि वहाँ कोई म्यूऑन था या नहीं।
इसलिए, शोधकर्ताओं ने समय पर आधारित एक चतुर तकनीक का उपयोग किया। वे जानते थे कि जबकि अधिकांश कण डिटेक्टरों से तुरंत गुजर जाते हैं, कुछ म्यूऑन इतने धीमे होते हैं कि वे प्लास्टिक में फंस जाते हैं। एक बार फंस जाने के बाद, ये म्यूऑन एक सेकंड के बहुत छोटे हिस्से (लग लगभग 2.2 माइक्रोसेकंड) तक जीवित रहते हैं और फिर एक इलेक्ट्रॉन और प्रकाश के विस्फोट में बदल (decay) जाते हैं। इस "विलंबित संकेत" (delayed signal) का इंतज़ार करके, टीम शोर को छान सकती थी और विश्वास के साथ कह सकती थी, "आहा! हमने एक म्यूऑन पकड़ लिया!"
उन्होंने क्या पाया: दो अलग-अलग म्यूऑन धाराएँ
प्रयोग ने कुछ दिलचस्प खुलासा किया: म्यूऑन सभी एक ही जगह से नहीं आ रहे थे या एक जैसा व्यवहार नहीं कर रहे थे। टीम ने दो अलग-अलग "धाराओं" की पहचान की, जो बिल्कुल वैसा ही है जैसे नदी में दो अलग-अलग प्रकार की मछलियों को खोजना।
दिशात्मक धारा (द "स्नाइपर"): कुछ म्यूऑन सीधे भारी लीड ब्लॉक के अंदर पैदा हुए थे। ये "पेयर प्रोडक्शन" (pair production) नामक प्रक्रिया के माध्यम से बनाए गए थे, जहाँ उच्च-ऊर्जा वाले फोटॉन सीधे एक म्यूऑन और एक एंटी-म्यूऑन में बदल जाते हैं। ये म्यूऑन स्नाइपर की तरह थे: वे उच्च-ऊर्जा वाले थे, एक सीधी रेखा में चलते थे, और मूल इलेक्ट्रॉन बीम की दिशा में ही आगे बढ़ते थे। सिमुलेशन ने दिखाया कि ये म्यूऑन लगभग 100 मिलीरेडियन के एक संकीर्ण शंकु (cone) के भीतर सीमित थे।
बिखरी हुई धारा (द "क्राउड"): अन्य म्यूऑन एक अलग स्रोत से आए थे। जैसे ही इलेक्ट्रॉन बीम डंप की ओर बढ़ी, उसने मशीन के अन्य धातु के हिस्सों (जैसे मैग्नेटिक स्पेक्ट्रोमीटर) को छुआ। इन अंतःक्रियाओं ने मेसॉन (mesons) नामक अल्पकालिक कणों को बनाया, जो बाद में म्यूऑन में बदल गए। ये म्यूऑन बिखरी हुई भीड़ की तरह थे; उनकी कोई मजबूत दिशा नहीं थी और वे सभी कोणों पर फैल गए थे। वे कम ऊर्जा वाले भी थे और मुख्य रूप से बीम के केंद्र से दूर पाए गए।
डेटा ने इस विभाजन की पुष्टि की। जब डिटेक्टरों को बीम के पथ में ("ऑन-एक्सिस") रखा गया, तो उन्होंने बहुत कम म्यूऑन पकड़े (लगभग 1.9% शॉट)। लेकिन जब उन्होंने डिटेक्टरों को बीम से 1 मीटर बगल में ("ऑफ-एक्सिस") स्थानांतरित किया, तो गिनती काफी बढ़ गई (लगभग 14.4% शॉट)। इससे सिद्ध हुआ कि मेसॉन-क्षय (meson-decay) वाले "बिखरी हुई भीड़" के म्यूऑन, बीम से दूर के क्षेत्र में हावी थे, जबकि "स्नाइपर" म्यूऑन केंद्र के पास मजबूती से केंद्रित रहे।
यह क्यों महत्वपूर्ण है
शोधकर्ताओं ने सटीक रूप से क्या हो रहा था, इसका मॉडल बनाने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन (Geant4 टूलकिट पर आधारित) का उपयोग किया। ये सिमुलेशन उनके वास्तविक दुनिया के मापों से लगभग पूरी तरह मेल खाते थे, जिससे उनके परिणामों पर उच्च विश्वास प्राप्त हुआ। उन्होंने पाया कि उनका लेजर-संचालित स्रोत प्राकृतिक ब्रह्मांडीय म्यूऑन की वर्षा की तुलना में कई गुना अधिक दर से म्यूऑन उत्पन्न कर सकता है।
जबकि वर्तमान सेटअप ने म्यूऑन उत्पन्न करने के लिए लैब के मौजूदा सुरक्षा कवच का उपयोग किया, टीम का सुझाव है कि भविष्य में, हम इस प्रक्रिया को और भी अधिक कुशल बनाने के लिए विशेष लक्ष्यों (targets) को डिजाइन कर सकते हैं। यदि हम ऐसे लेजर सिस्टम बना सकते हैं जो बहुत तेज़ी से फायर कर सकें (जैसे प्रति सेकंड केवल एक बार के बजाय हजारों बार), तो हम ज्वालामुखी या परमाणु रिएक्टर जैसी बड़ी वस्तुओं को केवल कुछ मिनटों में स्कैन करने के लिए पर्याप्त म्यूऑन उत्पन्न कर सकते हैं, न कि महीनों में।
यह शोध पत्र केवल यह सुझाव नहीं देता है कि लेजर-संचालित म्यूऑन स्रोत संभव हैं; यह सिद्ध करता है कि वे काम करते हैं। यह दिखाता है कि हम प्रयोगशाला में ही इन भूतिया कणों की एक संक्षिप्त, दिशात्मक किरण बना सकते हैं, जो उच्च-रिज़ॉल्यूशन इमेजिंग के एक नए युग का द्वार खोलता है, जो ब्रह्मांड द्वारा हमें उपहार भेजने का इंतज़ार करने पर निर्भर नहीं है। लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि और अधिक सुधारों के साथ, जैसे कि और भी उच्च ऊर्जा तक पहुँचने के लिए कई लेजर एक्सीलरेटरों को एक साथ जोड़ना, यह तकनीक हमारे आस-पास की छिपी हुई दुनिया को देखने के तरीके में क्रांति ला सकती है।
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