The PUMA offline ion source beamline

एक परमाणु के हृदय के भीतर, बाहरी किनारे अक्सर सबसे रहस्यमय स्थान होते हैं। जबकि केंद्र प्रोटॉन और न्यूट्रॉन से कसकर भरा होता है, बिल्कुल सतह एक पतले, विसरित बादल के रूप में फैल सकती है। कुछ भारी परमाणुओं में, यह बादल ज्यादातर न्यूट्रॉनों से बना होता है, जो एक ऐसी "त्वचा" (skin) बनाता है जो पूरे नाभिक के व्यवहार को बदल देता है। दूसरों में, अस्तित्व की अंतिम सीमाओं के पास, कुछ कण इतनी दूर तैर सकते हैं कि वे एक "हेलो" (halo) बना लेते हैं। इन नाजुक संरचनाओं को समझना महत्वपूर्ण है क्योंकि वे उन बलों के सुराग रखते हैं जो पदार्थ को बांधते हैं, वे बल भी जो न्यूट्रॉन सितारों, ब्रह्मांड की सबसे घनी वस्तुओं, के व्यवहार को नियंत्रित करते हैं। इन बाहरी परतों का अध्ययन करने के लिए, वैज्ञानिकों को परमाणु को नष्ट किए बिना उसके किनारे को टटोलने का एक तरीका चाहिए। स्विट्जरलैंड में स्थित सीर्न (CERN) में स्थित PUMA प्रयोग, ठीक यही करने का लक्ष्य रखता है—कम ऊर्जा वाले एंटीप्रोटॉन (पदार्थ-विरोधी कणों)—को परमाणु नाभिकों की सतहों से टकराकर। जब एक एंटीप्रोटॉन परमाणु के किनारे पर किसी प्रोटॉन या न्यूट्रॉन से मिलता है, तो वे एक-दूसरे को नष्ट (annihilate) कर देते हैं, और उस मलबे का अध्ययन करके, वैज्ञानिक परमाणु सतह के घनत्व का मानचित्रण कर सकते हैं।

हालाँकि, इसमें एक महत्वपूर्ण लॉजिस्टिक बाधा है। वह सुविधा जो कम ऊर्जा वाले एंटीप्रोटॉन का उत्पादन करती है, वह उस सुविधा से बहुत दूर है जो प्रयोग के लिए आवश्यक रेडियोधर्मी परमाणुओं का निर्माण करती है। इस अंतर को पाटने के लिए, PUMA टीम को एंटीप्रोटॉन को रेडियोधर्मी परमाणुओं तक ले जाना होगा। अस्थिर, रेडियोधर्मी सामग्रियों के साथ इस जटिल यात्रा को शुरू करने से पहले, उन्हें पहले यह सिद्ध करना होगा कि उनकी तकनीक स्थिर, सुरक्षित परमाणुओं के साथ काम करती है। इसके लिए एक विशेष मशीन की आवश्यकता होती है जो एक कच्चे गैस को ले सके, उसे आयनों की एक बीम में बदल सके, उसे साफ कर सके ताकि केवल एक विशिष्ट प्रकार का परमाणु ही मौजूद रहे, और फिर उन्हें घने, ठंडे समूहों में पैक कर सके। यदि यह मशीन एक शुद्ध, तीव्र बीम देने में विफल रहती है, तो नाजुक एंटीप्रोटॉन उस समय मिल पाने से पहले ही बैकग्राउंड शोर में खो जाएंगे।

शोधकर्ताओं ने अब इस आवश्यक मशीन का निर्माण और परीक्षण किया है, जिसे PUMA ऑफलाइन आयन सोर्स, या POLIS कहा जाता है। यह एक लंबा, वैक्यूम-सील्ड टनल है जो सटीक कार्यों की एक श्रृंखला करता है। सबसे पहले, यह एक गैस लेता है, जैसे कि क्रिप्टोन, और इलेक्ट्रॉनों की एक धारा का उपयोग करके परमाणुओं से इलेक्ट्रॉनों को बाहर निकालता है, जिससे वे धनावेशित आयन बन जाते हैं। यह कणों की एक निरंतर धारा बनाता है। इस धारा को उपयोगी बनाने के लिए, मशीन इसे छोटे पैकेटों में काट देती है, जैसे एक लंबी रस्सी को छोटे खंडों में काटना। ये पैकेट फिर एक विशाल, उच्च-परिशुद्धता वाले सॉर्टिंग डिवाइस में प्रवेश करते हैं जिसे मल्टी-रिफ्लेक्शन टाइम-ऑफ-फ्लाईट मास स्पेक्ट्रोमीटर कहा जाता है। इस उपकरण के भीतर, आयन बिजली के दर्पणों के बीच हजारों बार उछलते हैं। क्योंकि भारी आयन हल्के आयनों की तुलना में थोड़ा धीमा चलते हैं, इसलिए यह उछाल मशीन को उन्हें अत्यधिक सटीकता से अलग करने, किसी भी अवांछित परमाणु या अणु को फ़िल्टर करने की अनुमति देता है जब तक कि केवल वही विशिष्ट आइसोटोप शेष रह जाए जिसे वैज्ञानिक चाहते हैं।

एक बार जब बीम शुद्ध हो जाती है, तब भी आयन अभी भी बहुत तेज़ गति से चल रहे होते हैं और बहुत फैले हुए होते हैं ताकि उन्हें अंतिम स्टोरेज ट्रैप द्वारा पकड़ा जा सके। मशीन उनकी गति को कम करती है और उन्हें रेडियो-फ्रीक्वेंसी क्वाड्रुपोल कूलर-बंचर में इंजेक्ट करती है। यह उपकरण एक फनल (कीप) की तरह कार्य करता है, जो आयनों को धीमा करने और उन्हें एक घने, ठंडे समूह में सिकोड़ने के लिए एक सौम्य गैस का उपयोग करता है। टीम ने इस प्रणाली का परीक्षण स्थिर क्रिप्टोन आइसोटोप का उपयोग करके किया, जो भारी, अक्रिय गैसें हैं। उन्होंने पाया कि काटने, छांटने और स्टैकिंग की प्रक्रिया को दोहराकर, वे एक एकल समूह में दस हजार से अधिक आयन संचित कर सकते हैं। यह तीव्रता महत्वपूर्ण है; यदि बीम बहुत कमजोर है, तो एंटीप्रोटॉन टकराव से मिलने वाला सिग्नल वैक्यूम चैंबर में बचे हुए गैस कणों के साथ होने वाले यादृच्छिक टकरावों के कारण दब जाएगा।

इस प्रक्रिया में एक प्रमुख चुनौती अत्यंत उच्च वैक्यूम बनाए रखना है। एंटीप्रोटॉन इतने संवेदनशील होते हैं कि थोड़ी सी गैस भी उन्हें गायब कर सकती है। मशीन को कनेक्शन पॉइंट पर दबाव को पांच गुना दस की घात नकारात्मक दस मिलीबार से बेहतर बनाए रखना होगा। इसे प्राप्त करने के लिए, टीम को एक पेचीदा समस्या को हल करना पड़ा: कूलिंग प्रक्रिया के लिए एक बफर गैस की आवश्यकता होती है, लेकिन उस गैस को अंतिम वैक्यूम क्षेत्र में लीक नहीं होना चाहिए। उन्होंने हीलियम, आर्गन और नाइट्रोजन सहित विभिन्न गैसों का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि नाइट्रोजन सबसे अच्छा काम करती है, जिससे वे आवश्यक वैक्यूम स्तर तक पहुँच सके और साथ ही प्रभावी ढंग से आयनों को ठंडा भी कर सके। उन्होंने यह भी पाया कि गैस की आपूर्ति की गुणवत्ता अत्यंत महत्वपूर्ण थी; पूरी तरह से धातु के घटकों से बने सिस्टम का उपयोग करने से, प्लास्टिक ट्यूबिंग के बजाय, यह सुनिश्चित हुआ कि दूषित पदार्थ जमा न हों और बीम की तीव्रता को खराब न करें।

अंतिम परिणाम दिखाते हैं कि मशीन अपने वास्तविक काम के लिए तैयार है। टीम ने विभिन्न स्थिर क्रिप्टोन आइसोटोप के शुद्ध बंच सफलतापूर्वक बनाए, जिनमें सबसे दुर्लभ भी शामिल थे, जिसमें प्रत्येक बंच में दस हजार से अधिक आयन थे। ये बंच इतने घने थे कि उनकी लंबाई तीन सौ नैनोसेकंड से भी कम थी, जो उन्हें अंतिम स्टोरेज ट्रैप में इंजेक्शन के लिए एकदम सही बनाती है। सिस्टम ने कूलिंग गैस के बहते रहने के दौरान भी आवश्यक वैक्यूम दबाव बनाए रखा, जिससे यह सिद्ध हुआ कि डिज़ाइन सफलतापूर्वक संवेदनशील एंटीप्रोटॉन बीम को बाकी मशीन से अलग करता है। इन परीक्षणों के पूरा होने के साथ, पूरे उपकरण को अब सीर्न (CERN) भेजने की तैयारी की जा रही है। एक बार स्थापित होने के बाद, यह वैज्ञानिकों को अंततः स्थिर नाभिकों पर एंटीप्रोटॉन प्रयोग करने की अनुमति देगा, जिससे उनके अंतिम लक्ष्य का मार्ग प्रशस्त होगा: रेडियोधर्मी परमाणुओं के रहस्यमय, विसरित किनारों का अध्ययन करना जो केवल एक क्षण के लिए अस्तित्व में रहते हैं।