⚛️ high-energy experiments

Characterisation of silicon photomultipliers in a dilution refrigerator down to 9.4 mK towards a cryogenic cosmic-ray muon veto system

यह शोध पत्र एक डाइल्यूशन रेफ्रिजरेटर के भीतर 9.4 mK पर संचालित एक FBK NUV-HD-cryo सिलिकॉन फोटोमल्टीप्लायर के सफल लक्षण वर्णन की रिपोर्ट करता है, जो QUEST-DMC जैसे निम्न-पृष्ठभूमि वाले डार्क मैटर प्रयोगों में कॉस्मिक-रे म्यूऑन का पता लगाने के लिए इसकी व्यवहार्यता को प्रदर्शित करता है।

मूल लेखक: DMC Collaboration, A. Kemp, S. Autti, E. Bloomfield, A. Casey, N. Darvishi, D. Doling, N. Eng, P. Franchini, R. P. Haley, P. J. Heikkinen, A. Jennings, S. Koulosousas, E. Leason, L. V. Levitin, J. Mar

प्रकाशित 2026-03-27

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CC BY 4.0

मूल लेखक: DMC Collaboration, A. Kemp, S. Autti, E. Bloomfield, A. Casey, N. Darvishi, D. Doling, N. Eng, P. Franchini, R. P. Haley, P. J. Heikkinen, A. Jennings, S. Koulosousas, E. Leason, L. V. Levitin, J. March-Russell, A. Mayer, J. Monroe, D. Münstermann, M. T. Noble, J. R. Prance, X. Rojas, T. Salmon, J. Saunders, J. Smirnov, R. Smith, M. D. Thompson, A. Thomson, A. Ting, V. Tsepelin, S. M. West, L. Whitehead, D. E. Zmeev

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 ऐसे कमरे में एक बहुत ही सूक्ष्म, नन्ही सी फुसफुसाहट सुनने की कोशिश कर रहे हैं जो पूरी तरह से शांत होना चाहिए। यह वह चुनौती है जिसका सामना वैज्ञानिक डार्क मैटर (Dark Matter) की तलाश में कर रहे हैं—वह अदृश्य पदार्थ जिससे ब्रह्मांड का अधिकांश हिस्सा बना है। इस "फुसफुसाहट" को सुनने के लिए, उन्हें ऐसे डिटेक्टरों की आवश्यकता है जो अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील हों और पूर्ण शून्य (absolute zero) की स्थिति में काम करते हों, जो अंतरिक्ष से भी अधिक ठंडा हो।

हालाँकि, एक समस्या है: कॉस्मिक किरणें (Cosmic rays) (अंतरिक्ष से आने वाले उच्च-ऊर्जा कण, जैसे कि म्यूऑन) लगातार पृथ्वी पर बरस रही हैं। जब वे डिटेक्टर से टकराती हैं, तो वे एक ज़ोरदार "धमाका" पैदा करती हैं जो डार्क मैटर की फुसफुसाहट को दबा देता है। इस समस्या को हल करने के लिए, वैज्ञानिकों को एक "बाउंस" (bouncer) सिस्टम की आवश्यकता है—एक वेटो सिस्टम (veto system)—जो कॉस्मिक किरणों को पहचान सके और मुख्य डिटेक्टर को बता सके, "इस सिग्नल को अनदेखा करो, यह सिर्फ एक कॉस्मिक किरण है!"

यह शोध पत्र एक नए प्रकार के "बाउंस" सेंसर, जिसे सिलिकॉन फोटोमल्टीप्लायर (Silicon Photomultiplier - SiPM) कहा जाता है, का परीक्षण करने के बारे में है, जो एक ऐसी मशीन के अंदर है जो इतनी ठंडी है कि वह लगभग पूर्ण शून्य के करीब है।

यहाँ उनके प्रयोग की कहानी दी गई है, जिसे सरल अवधारणाओं में विभाजित किया गया है:

1. परिवेश: गहरा जमाव (The Deep Freeze)

वैज्ञानिकों ने एक डिल्यूशन रेफ्रिजेरेटर (Dilution Refrigerator) का उपयोग किया। इसे एक सुपर-फ्रिज के रूप में समझें जो चीजों को 9.4 मिलीकेल्विन (millikelvin) तक ठंडा कर सकता है। इसे समझने के लिए:

कमरे का तापमान लगभग 300 केल्विन होता है।
लिक्विड नाइट्रोजन लगभग 77 केल्विन होती है।
यह फ्रिज लिक्विड नाइट्रोजन की तुलना में 30,000 गुना अधिक ठंडा है। यह इतना ठंडा है कि परमाणु मुश्किल से हिल पाते हैं।

लक्ष्य यह देखना था कि क्या एक सिलिकॉन सेंसर इस गहरे जमाव में जीवित रह सकता है और मुख्य प्रयोग के ठीक बगल में काम कर सकता है।

2. नायक: SiPM सेंसर

जिस सेंसर का परीक्षण किया गया है उसे NUV-HD-cryo SiM कहा जाता है।

यह क्या है? लाखों सूक्ष्म "बकेट" (पिक्सेल) से बने एक छोटे, हाई-टेक सोलर पैनल की कल्पना करें। जब एक सिंगल फोटॉन (प्रकाश का एक कण) एक बकेट से टकराता है, तो यह एक सूक्ष्म विद्युत हिमस्खलन (electrical avalanche) को ट्रिगर करता है, जैसे डोमिनोज़ की एक पंक्ति गिर रही हो।
इसका उपयोग क्यों करें? पारंपरिक सेंसर (जैसे पुराने ज़माने के वैक्यूम ट्यूब) भारी होते हैं और उन्हें हाई वोल्टेज की आवश्यकता होती है। यह SiPM छोटा है, सस्ता है, और कम वोल्टेज पर काम करता है।
चुनौती: आमतौर पर, ये सेंसर "शोर" (noisy) वाले होते हैं क्योंकि गर्मी के कारण इलेक्ट्रॉन बेतरतीब ढंग से इधर-उधर कूदते हैं (थर्मल नॉइज़)। लेकिन इस गहरे जमाव में, गर्मी गायब हो जाती है, इसलिए शोर खत्म हो जाना चाहिए, जिससे सेंसर अविश्वसनीय रूप से शांत और संवेदनशील हो जाता है।

3. प्रयोग: सेंसर को फ्रिज के अंदर रखना

टीम ने एक कस्टम कॉपर बॉक्स (एक छोटे, इंसुलेटेड लंचबॉक्स की तरह) बनाया और सेंसर को उसके अंदर रखा। उन्होंने इसे तारों से जोड़ा जो फ्रिज से बाहर एक कंप्यूटर तक जाते थे।

वे तीन बड़े सवालों के जवाब जानना चाहते थे:

क्या यह जीवित रहा? (क्या अत्यधिक ठंड ने इसे तोड़ दिया?)
क्या यह शांत है? (क्या यह गलत सिग्नल उत्पन्न करता है?)
क्या यह प्रकाश देख सकता है? (क्या यह एक कॉस्मिक किरण के टकराने से होने वाली चमक को पहचान सकता है?)

4. निष्कर्ष: अच्छी खबर, बुरी खबर और अजीब बात

✅ अच्छी खबर: यह काम करता है!

उत्तरजीविता (Survival): सेंसर टूटा नहीं। यह 9.4 mK पर पूरी तरह से काम कर रहा था।
शांति: इसका "डार्क काउंट रेट" (रैंडम नॉइज़) अविश्वसनीय रूप से कम था। यह इतना शांत था कि यह लगभग उतना ही शांत था जितना कि यह 77 केल्विन (लिक्विड नाइट्रोजन तापमान) पर होता है। यह अच्छी खबर है क्योंकि इसका मतलब है कि सेंसर गलत अलार्म नहीं देगा।
संवेदनशीलता: यह प्रकाश के सिंगल फोटॉन को भी पहचान सकता था, जैसा कि अपेक्षित था।

⚠️ बुरी खबर: "गूँज" का प्रभाव (Afterpulsing)

यहीं से चीजें दिलचस्प हुईं। जबकि सेंसर शांत था, इसमें एक अजीब आदत विकसित हुई जिसे आफ्टरपल्सिंग (Afterpulsing) कहा जाता है।

उपमा: कल्पना कीजिए कि आपने एक बार ताली बजाई। एक सामान्य कमरे में, आप एक ताली की आवाज़ सुनते हैं। लेकिन इस गहरे जमाव में, ताली की आवाज़ एक धीमी, देरी से आने वाली गूँज को ट्रिगर करती प्रतीत होती है जो लंबे समय तक चलती रहती है।
क्या हुआ: जब एक फोटॉन सेंसर से टकराया, तो वह केवल रुक नहीं गया। उसने सिलिकॉन में कुछ इलेक्ट्रॉन्स को फँसा लिया। जैसे-जैसे तापमान गिरा, ये इलेक्ट्रॉन "गहरे ट्रैप" में फंस गए और बहुत धीरे-धीरे बाहर निकले, जिससे मूल प्रकाश के टकराने के बहुत बाद भी नकली सिग्नल मिलते रहे।
परिणाम: एक साफ सिग्नल के बजाय, सेंसर ने सिग्नल की एक "ट्रेन" देखी जो एक मिलीसेकंड तक चल सकती है। यह उम्मीद से बहुत अधिक है।

🌟 प्रमाण: "धमाके" को पकड़ना

यह परीक्षण करने के लिए कि क्या यह सेंसर वास्तव में कॉस्मिक किरणों को पकड़ सकता है, उन्होंने सेंसर के साथ एक प्लास्टिक सिंटिलेटर (plastic scintillator) (एक ऐसा पदार्थ जो किसी कण के टकराने पर चमकता है) जोड़ा।

जब उन्होंने एक उच्च-ऊर्जा घटना (जैसे प्लास्टिक से टकराने वाली कॉस्मिक किरण) का अनुकरण किया, तो सेंसर ने प्रकाश का एक विशाल विस्फोट देखा।
"गूँज" (afterpulsing) की समस्या के बावजूद, सेंसर आसानी से एक छोटी सी फुसफुसाहट (शोर) और एक ज़ोरदार चिल्लाहट (कॉस्मिक किरण) के बीच अंतर कर सका।

5. निष्कर्ष: इसका क्या अर्थ है?

वैज्ञानिकों ने निष्कर्ष निकाला कि हाँ, इस सेंसर का उपयोग QUEST-DMC डार्क मैटर प्रयोग के लिए एक कॉस्मिक-रे बांसर के रूप में किया जा सकता है।

फैसला: सेंसर काम करने के लिए पर्याप्त शांत और संवेदनशील है।
शर्त: "गूँज" (afterpulsing) गहरे जमाव में उच्च तापमान की तुलना में अधिक मजबूत है।
समाधान: चूंकि कॉस्मिक किरणें प्रकाश का एक बड़ा विस्फोट पैदा करती हैं, इसलिए "गूँज" सिग्नल को छिपा नहीं पाएगी। हालाँकि, गूँज सिस्टम को रीसेट होने में थोड़ा धीमा कर सकती है। टीम को डिज़ाइन में बदलाव करने की आवश्यकता होगी (जैसे सही प्रकार के प्लास्टिक सिंटिलेटर का चयन करना) ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि प्रकाश का फ्लैश तेज़ और स्पष्ट हो, ताकि गूँज भ्रम पैदा न करे।

संक्षेप में: टीम ने सफलतापूर्वक पृथ्वी के सबसे ठंडे वातावरण में एक हाई-टेक लाइट सेंसर का परीक्षण किया। यह जीवित रहा, यह बहुत शांत है, और यह कॉस्मिक किरणों को पहचान सकता है। हालांकि इसमें ठंड में "गूँज" (echoing) की एक विचित्र आदत है, फिर भी यह ब्रह्मांड के सबसे बड़े रहस्य—डार्क मैटर—की खोज को सुरक्षित करने के लिए एक आशाजनक उपकरण है।

यहाँ एक डाइल्यूशन रेफ्रिजरेटर में 9.4 mK तक सिलिकॉन फोटोमल्टीप्लायर के लक्षण वर्णन का विस्तृत तकनीकी सारांश दिया गया है, जो एक क्रायोजेनिक कॉस्मिक-रे म्यूऑन वीटो सिस्टम की ओर अग्रसर है।

1. समस्या विवरण

QUEST-DMC सहयोग एक सुपरफ्लुइड हीलियम-3 ( $^3$ He) लक्ष्य का उपयोग करके एक प्रत्यक्ष डार्क मैटर खोज प्रयोग विकसित कर रहा है। विश्व-स्तरीय संवेदनशीलता प्राप्त करने के लिए, प्रयोग को एक अत्यंत निम्न बैकग्राउंड वातावरण की आवश्यकता है। चूंकि यह प्रयोग भूमिगत सुविधाओं (के विपरीत) समुद्र तल पर संचालित होता है, इसलिए कॉस्मिक-रे म्यूऑन (cosmic-ray muons) बैकग्राउंड हस्तक्षेप का एक प्राथमिक स्रोत हैं।

इसे कम करने के लिए, एक क्रायोजेनिक कॉस्मिक-रे म्यूऑन वीटो सिस्टम डिजाइन किया जा रहा है। प्रस्तावित डिजाइन में एक स्किंटिलेटर वॉल्यूम शामिल है जो डिटेक्टर के चारों ओर स्थित है, जो सीधे एक सिलिकॉन फोटोमल्टीप्लायर (SiPM) से जुड़ा है, जिसे डाइल्यूशन रेफ्रिजरेटर के भीतर मिलीकेल्विन (mK) स्टेज पर लगाया गया है।

चुनौती: पारंपरिक फोटॉन डिटेक्टर (जैसे PMTs) आकार, चुंबकीय क्षेत्र संवेदनशीलता और उच्च वोल्टेज आवश्यकताओं के कारण अनुपयुक्त हैं। हालांकि Si-PMs आशाजनक हैं, लेकिन अल्ट्रा-लो तापमान (सब-केल्विन) पर उनकी व्यवहार्यता, विशेष रूपकर उनके शोर के गुणों (डार्क काउंट रेट, क्रॉसटॉक, आफ्टरपल्सिंग) और ~10 mK पर थर्मल लोड के संबंध में, पूरी तरह से सिद्ध नहीं हुई थी।
लक्ष्य: एक विशिष्ट SiPM मॉडल (FBK NUV-HD-cryo) के प्रदर्शन को 9.4 mK पर लक्षणित करना है ताकि यह निर्धारित किया जा सके कि क्या यह क्रायोस्टेट की कूलिंग क्षमता को बाधित किए बिना म्यूऑन वीटो सिस्टम के लिए एक विश्वसनीय फोटॉन सेंसर के रूप में कार्य कर सकता है।

2. कार्यप्रणाली

लेखकों ने रॉयल हॉलोवे, यूनिवर्सिटी ऑफ लंदन में एक क्रायोजन-फ्री डाइल्यूशन रेफ्रिजरेटर के भीतर एक एकल FBK NUV-HD-cryo SiPM (12 $\times$ 8 mm $^2$ , 30 $\mu$ m सेल पिच) संचालित किया।

प्रायोगिक सेटअप:
- तापमान: SiPM को मिक्सिंग चैंबर प्लेट से थर्मल कपलिंग वाले एक कस्टम PCB पर रखा गया था। बेस तापमान को करंट सेंसिंग नॉइज़ थर्मोमेट्री (CSNT) का उपयोग करके $T = 9.4 \pm 0.2$ mK पर मापा गया था।
- थर्मल लोड: SiPM के पावर डिसिपेशन का अनुमान $\sim$ 20 pW (वायरिंग सहित) लगाया गया था, जिसके परिणामस्वरूप सेंसर और मिक्सिंग चैंबर के बीच नगण्य तापमान अंतर ( $\Delta T \approx 203$ nK) हुआ।
- रीडआउट: सिग्नल को रूम टेम्परेचर पर स्थित एक कस्टम बोर्ड (130 V/V गेन) द्वारा प्रवर्धित (amplify) किया गया और 23 GHz बैंडविड्थ वाले ऑसिलोस्कोप द्वारा पढ़ा गया।
- डेटा अधिग्रहण (Data Acquisition): प्रत्येक बायस वोल्टेज (32 V, 33 V, 34 V) के लिए लगभग 300,000 वेवफॉर्म प्राप्त किए गए। डेड टाइम को कम करने के लिए एक "फास्टफ्रेम" मेमोरी स्कीम का उपयोग किया गया।
- विश्लेषण: सिंगल फोटॉन घटनाओं की पहचान करने, गेन (gain) की गणना करने और शोर सहसंबंधों (टाइम-ओवर-थ्रेशोल्ड, पल्स एम्प्लीट्यूड, और इंटर-पल्स टाइमिंग) का विश्लेषण करने के लिए एक पल्स-फाइंडिंग एल्गोरिदम लागू किया गया।

3. मुख्य योगदान

9.4 mK पर प्रथम संचालन: यह 10 mK से कम तापमान पर डाइल्यूशन रेफ्रिजरेटर के भीतर सफलतापूर्वक संचालित होने वाले SiPM की पहली रिपोर्ट है।
व्यापक शोर लक्षण वर्णन: यह अध्ययन mK तापमान पर Si-PM शोर मापदंडों (डार्क काउंट रेट, क्रॉसटॉक, आफ्टरपल्सिंग) का पहला विस्तृत विवरण प्रदान करता है, जिसकी तुलना 77 K बेंचमार्क से की गई है।
प्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट वीटो: लेखकों ने क्रायोस्टेट के भीतर SiPM से जुड़े एक स्किंटिलेटर का उपयोग करके उच्च-ऊर्जा घटनाओं का पता लगाने का प्रदर्शन किया, जिससे म्यूऑन वीटो सिस्टम के लिए अवधारणा की पुष्टि हुई।
ब्रेकडाउन वोल्टेज निर्धारण: I-V स्वीप के दौरान थर्मल प्रभावों के कारण, लेखकों ने mK तापमान पर ब्रेकडाउन वोल्टेज को सटीक रूप से निर्धारित करने के लिए एक वैकल्पिक विधि (सिंगल फोटोइलेक्ट्रॉन एम्प्लीट्यूड को शून्य तक एक्सट्रपलेशन करना) विकसित की।

4. मुख्य परिणाम

A. 9.4 mK पर डिवाइस प्रदर्शन

उत्तरजीविता (Survival): SiPM बिना किसी क्षति के रूम टेम्परेचर से 9.4 mK तक ठंडा होने के बाद भी सुरक्षित रहा।
ब्रेकडाउन वोल्टेज ( $V_{bd}$ ): यह $25.70 \pm 0.04$ V निर्धारित किया गया। यह 77 K के मान ( $\sim$ 27.1 V) से कम है, जो Si-PMs की अपेक्षित तापमान निर्भरता के अनुरूप है।
गेन (Gain): 6.3 V और 8.3 V के ओवरवोल्टेज ( $\Delta V$ ) के लिए गेन ( $G$ ) का दायरा $7 \times 10^5$ से $1.2 \times 10^6$ के बीच था। यह समान ओवरवोल्टेज के लिए 77 K पर रिपोर्ट किए गए गेन से लगभग 3.7 गुना कम है, जो संभवतः अल्ट्रा-लो तापमान पर फ्री कैरियर्स के "फ्रीज-आउट" के कारण है।

B. शोर की विशेषताएं

डार्क काउंट रेट (DCR): 32 V पर इसे $4.05 \pm 0.22$ mHz/mm $^2$ मापा गया। यह 77 K पर रिपोर्ट किए गए <5 mHz/mm $^2$ के अनुरूप है, जिससे पता चलता है कि DCR 77 K और 9.4 mK के बीच लगभग स्थिर या बहुत कम निर्भर है।
डायरेक्ट क्रॉसटॉक (DiCT): इसकी प्रायिकता $\Delta V = 6.3$ V पर 15.8% मापी गई, जो $\Delta V$ के 6.3 V से 8.3 V तक बढ़ने पर 49% की वृद्धि दर्शाती है। 77 K डेटा की तुलना में कोई मजबूत तापमान निर्भरता नहीं देखी गई।
कोरिलेटेड डिलेड एवलांचेस (CDA) / आफ्टरपल्सिंग (AP):
- महत्वपूर्ण वृद्धि: $\Delta V = 6.3$ V पर CDA प्रायिकता 42.3% (10 $\mu$ s विंडो के भीतर) मापी गई। यह 77 K पर रिपोर्ट किए गए 12% की तुलना में एक बड़ी वृद्धि है।
- लंबे ट्रेन (Long Trains): अध्ययन में 1 ms तक चलने वाले "सेल्फ-सस्टेनिंग AP ट्रेन्स" देखे गए। इसका कारण अल्ट्रा-लो तापमान पर डीप-लेवल ट्रैप्स से थर्मल उत्सर्जन का दमन है, जिससे चार्ज कैरियर्स बहुत लंबे समय तक रिलीज होते हैं।

C. स्किंटिलेटर कपलिंग (प्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट)

वेवलेंथ-शिफ्टिंग फाइबर्स के माध्यम से SiPM से जुड़े एक प्रोटोटाइप स्किंटिलेटर का परीक्षण किया गया।
सिस्टम ने उच्च-प्रकाश घटनाओं (जो कॉस्मिक-रे म्यूऑन्स और पर्यावरणीय गामा किरणों के अनुरूप हैं) का सफलतापूर्वक पता लगाया, जिससे एक व्यापक चार्ज वितरण उत्पन्न हुआ जो आंतरिक शोर बैकग्राउंड से अलग था।
लंबे AP ट्रेन्स ने म्यूऑन सिग्नल का पता लगाने में बाधा नहीं डाली, हालांकि वे एकीकृत चार्ज (integrated charge) में उतार-चढ़ाव पैदा करते हैं।

5. महत्व और निहितार्थ

व्यवहार्यता की पुष्टि: परिणाम पुष्टि करते हैं कि FBK NUV-HD-cryo Si-PMs को थर्मल बजट से अधिक गर्मी पैदा किए बिना डाइल्यूशन रेफ्रिजरेटर के mK स्टेज पर संचालित किया जा सकता है, जिससे वे QUEST-DMC म्यूऑन वीटो सिस्टम के लिए व्यवहार्य बन जाते हैं।
डिजाइन बाधाएं:
- डार्क काउंट रेट और क्रॉसटॉक वीटो सिस्टम की आवश्यकताओं के लिए पर्याप्त रूप से कम हैं।
- बढ़ता हुआ आफ्टरपल्सिंग (Afterpulsing), mK तापमान पर मुख्य चुनौती है। हालांकि यह म्यूऑन टैगिंग को रोकता नहीं है, लेकिन यह सिग्नल वितरण में "हाई-चार्ज टेल्स" (high-charge tails) बनाता है। यदि ट्रिगर थ्रेशोल्ड बहुत कम रखा जाता है, तो यह पर्यावरणीय गामा किरणों से आकस्मिक वीटो (गलत पॉजिटिव) की दर को बढ़ा सकता है।
भावी R&D: आफ्टरपल्सिंग के प्रभाव को कम करने के लिए, विकास के अगले चरण को इन पर ध्यान केंद्रित करना चाहिए:
1. ऐसे स्किंटिलेटर सामग्री का चयन करना जिनका उत्सर्जन समय (emission time) तेज हो ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि प्राथमिक सिग्नल मुख्य AP ट्रेन्स के हावी होने से पहले एकत्र हो जाए।
2. सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात को अधिकतम करने के लिए लाइट कलेक्शन की ज्यामिति को अनुकूलित करना, जिससे एक उच्च ट्रिगर थ्रेशोल्ड बनाए रखने की अनुमति मिले जो >90% म्यूऑन वीटो दक्षता बनाए रखते हुए बैकग्राउंड शोर को खारिज कर सके।

निष्कर्षतः, यह कार्य उस महत्वपूर्ण प्रयोगात्मक सत्यापन को प्रदान करता है जो अल्ट्रा-लो टेम्परेचर डार्क मैटर प्रयोगों में SiPM-आधारित म्यूऑन वीटो को तैनात करने के लिए आवश्यक है, साथ ही उन विशिष्ट शोर तंत्रों को भी उजागर करता जिन्हें अंतिम सिस्टम डिजाइन में प्रबंधित किया जाना चाहिए।