The measurement of late-pulses and after-pulses in the large area Hamamatsu R7081 photomultiplier with improved quantum-efficiency photocathode

कल्पना कीजिए कि आप एक विशाल, गूँजते हुए कैथेड्रल में एक अकेली, धीमी फुसफुसाहट सुनने की कोशिश कर रहे हैं। यह मूल रूप से वही है जो वैज्ञानिक कर रहे हैं जब वे गहरे अंतरिक्ष (विशेष रूप से, उच्च-ऊर्जा न्यूट्रिनो) से संदेशों को पकड़ने के लिए विशाल पानी के नीचे टेलीस्कोप बनाते हैं।

इन फुसफुसाहटों को "सुनने" के लिए, वे फोटोन मल्टीप्लायर ट्यूब्स (PMTs) नामक विशाल प्रकाश सेंसरों का उपयोग करते हैं। जब एक न्यूट्रिनो पानी से टकराता है, तो वह नीले रंग की रोशनी की एक चमक (चेरेनकोव लाइट) पैदा करता है। PMT इस चमक को पकड़ता है और इसे एक विद्युत संकेत में बदल देता है।

हालाँकि, एक समस्या है: जैसे कैथेड्रल में एक खराब गूँज (इको) होती है, वैसे ही PMT केवल मूल चमक को रिकॉर्ड नहीं करता है। यह कभी-कभी घोस्ट सिग्नल (ghost signals) या झूठे प्रतिध्वनि (false echoes) भी बनाता है जो मुख्य घटना के एक सेकंड के बहुत छोटे हिस्से बाद आते हैं। यदि वैज्ञानिक इन "भूतों" को नहीं समझते हैं, तो वे सोच सकते हैं कि दूसरा न्यूट्रिनो आया है, जबकि वह वास्तव में मशीन की एक खराबी थी।

यह पेपर इस बारे में एक रिपोर्ट है कि कैसे INFN (इतालवी परमाणु भौतिकी संस्थान) के वैज्ञानिकों ने एक विशिष्ट, उच्च-गुणवत्ता वाले सेंसर, Hamamatsu R7081, में इन "भूतों" का अध्ययन किया।

यहाँ बताया गया है कि उन्हें क्या मिला, सरल उपमाओं (analogies) का उपयोग करते हुए:

1. सेटअप: एक नियंत्रित परीक्षण प्रयोगशाला

वैज्ञानिकों ने यह काम पानी के नीचे नहीं किया। उन्होंने इस विशाल सेंसर को अपनी लैब में एक काले, प्रकाश-रोधी बॉक्स में रखा। उन्होंने एक सुपर-फास्ट लेजर (एक "लाइट गन") का उपयोग किया जो सेंसर पर प्रकाश की नन्ही, एकल चमकें छोड़ता था, जो वास्तविक ब्रह्मांडीय घटनाओं की नकल करती थीं। फिर उन्होंने एक हाई-स्पीड कैमरा (डिजिटाइज़र) का उपयोग किया ताकि हर फ्लैश के बाद 16 माइक्रोसेकंड तक सेंसर ने वास्तव में क्या "देखा", उसे सटीक रूप से रिकॉर्ड किया जा सके।

2. "भूतों" के चार प्रकार

पेपर बताता है कि सेंसर चार अलग-अलग प्रकार के झूठे संकेत बनाता है, इस आधार पर कि वे मुख्य फ्लैश के बाद कब आते हैं:

• टाइप 1 (तत्काल प्रतिध्वनि - The Immediate Echo): ये लगभग तुरंत (80 नैनोसेकंड के भीतर) होते हैं।
  • उपमा: कल्पना कीजिए कि एक धावक (इलेक्ट्रॉन) दीवार (डायनोड) से टकराता है और वापस उछलता है, या दीवार से एक चिंगारी निकलकर धावक से टकरा जाती है। यह मुख्य घटना के ठीक बाद की एक त्वरित, अस्त-व्यस्त प्रतिक्रिया है।
• टाइप 2 (गैस विलंब - The Gas Delay): ये 80 नैनोसेकंड और 16 माइक्रोसेकंड के बीच होते हैं।
  • उपमा: कल्पना कीजिए कि धावक ट्यूब के अंदर गैस के अणुओं (fog) के एक पैच से टकराता है। कोहरा उत्तेजित हो जाता है और बाद में संकेत भेजता है। कोहरे के विभिन्न प्रकार (जैसे हीलियम या ऑक्सीजन के आयन) को साफ होने में अलग-अलग समय लगता है, जिससे अलग-अलग देरी पैदा होती है।
• लेट पल्स (भटकाव - The Detour): ये अध्ययन का मुख्य केंद्र हैं।
  • उपमा: कल्पना कीजिए कि धावक दौड़ना शुरू करता है, एक दीवार से टकराता है, वापस शुरुआती रेखा तक पूरी तरह से उछलता है, एक पूरा चक्कर लगाता है, और फिर दौड़ पूरी करता है। क्योंकि उन्होंने एक लंबा रास्ता (डेटूर) लिया, इसलिए वे देर से पहुँचते हैं। वैज्ञानिकों ने पाया कि ये लगभग 5% बार होते हैं।
• प्री-पल्स (जल्दी आने वाले - The Early Bird): ये मुख्य सिग्नल से पहले आते हैं।
  • उपमा: एक धावक जो शुरुआती गेट के माध्यम से रोशनी देखकर शुरुआती बंदूक बजने से पहले ही दौड़ना शुरू कर देता है। (पेपर ने नोट किया कि उन्हें अपने डेटा में ऐसे बहुत कम सिग्नल मिले)।

3. उन्होंने क्या खोजा

वैज्ञानिकों ने इन "भूतों" को बहुत सावधानी से मापा:

• लेट पल्स (Late Pulses): उन्होंने पाया कि लगभग 5% बार, सिग्नल एक "डेटूर" लेता है और देर से आता है। हालांकि यह एक छोटी संख्या है, लेकिन यह शून्य नहीं है। पानी के नीचे के टेलीस्कोपों में, ये लेट सिग्नल बिल्कुल पानी में कणों से टकराकर परावर्तित होने वाले प्रकाश की तरह दिखते हैं। यदि कंप्यूटर को यह नहीं पता कि ये "डेटूर" मौजूद हैं, तो वह न्यूट्रिनो के पथ की गलत गणना कर सकता है।
• आफ्टर-पल्स (प्रतिध्वनियाँ - The Echoes):
  • टाइप 1 प्रतिध्वनियाँ बहुत जल्दी (25-40 नैनोसेकंड बाद) हुईं।
  • टाइप 2 प्रतिध्वनियाँ बाद में हुईं, विशेष रूप से दो बड़े समूहों में: एक 1-2 माइक्रोसेकंड के आसपास और दूसरा 7-8 माइक्रोसेकंड के आसपास।
  • आश्चर्य: उन्होंने पाया कि लगभग 8.1% सिग्नल टाइप 2 प्रतिध्वनियाँ थे। इस विशिष्ट "उच्च-दक्षता" वाले सेंसर के लिए यह उम्मीद से अधिक प्रतिशत है।
  • रहस्य: उन्होंने मुख्य फ्लैश के लगभग 0.5 से 0.8 माइक्रोसेकंड बाद एक बहुत ही सूक्ष्म, धुंधला सिग्नल भी देखा। यह इतना छोटा है कि इसे समझाना कठिन है, लेकिन यह सेंसर की आंतरिक मशीनरी के अंदर होने वाली एक छोटी सी चिंगारी जैसा दिखता है।

4. यह क्यों महत्वपूर्ण है

पेपर निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि यह विशिष्ट सेंसर बहुत अच्छा है, फिर भी इसमें ये "भूत" मौजूद हैं।

• समस्या: यदि आप पानी के नीचे न्यूट्रिनो के पथ को मैप करने की कोशिश कर रहे हैं, तो एक "लेट पल्स" बिल्कुल पानी में बिखरते हुए फोटॉन (स्कैटरिंग) जैसा दिखता है। एक "बड़ा आफ्टर-पल्स" पास के किसी कण से निकलने वाली बहुत चमकीली चमक जैसा दिखता है।
• समाधान: इन "भूतों" के होने के समय और उनके आकार को सटीक रूप से मापकर, वैज्ञानिक अपने कंप्यूटर सिमुलेशन (मोंटे कार्लो मॉडल) को उन्हें पहचानने के लिए सिखा सकते हैं। इससे कंप्यूटर शोर (noise) को अनदेखा करने और सितारों से आने वाले वास्तविक संदेश पर ध्यान केंद्रित करने में सक्षम होता है।

संक्षेप में: वैज्ञानिकों ने एक विशाल, संवेदनशील प्रकाश सेंसर लिया, उस पर लेजर दागे, और उन सभी समयों का नक्शा बनाया जब उसने उन्हें "झूठ" बोला। उन्होंने पाया कि हालांकि ये झूठ दुर्लभ हैं, फिर भी ये इतने बार होते हैं कि यदि आप इनका हिसाब नहीं रखते हैं, तो ब्रह्मांड का आपका नक्शा थोड़ा गलत होगा।