⚛️ high-energy experiments

The SHiP/NA67 experiment at the ECN3 high-intensity beam facility at the CERN SPS

यह शोध पत्र SHiP/NA67 प्रयोग के भौतिकी प्रेरणा, प्रयोगात्मक डिजाइन और अपेक्षित संवेदनशीलता को रेखांकित करता है, जो कि CERN में एक उच्च-तीव्रता वाला बीम डंप सुविधा है जिसे 15 वर्षों की परिचालन अवधि के दौरान अत्यंत दुर्बल रूप से परस्पर क्रिया करने वाले कणों (feebly interacting particles) की खोज करने और न्यूट्रिनो घटना विज्ञान (neutrino phenomenology) का अध्ययन करने के लिए 2024 में अनुमोदित किया गया था।

मूल लेखक: Matei Climescu (on behalf of the SHiP Collaboration)

प्रकाशित 2026-06-10

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Matei Climescu (on behalf of the SHiP Collaboration)

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 ब्रह्मांड एक विशाल, हलचल भरा शहर है। दशकों से, वैज्ञानिक नए निवासियों (नए कणों) की तलाश में रहे हैं, जिसके लिए वे अत्यधिक गति से कारों को आपस में टकराने के लिए विशाल, उच्च-गति वाले राजमार्ग (जैसे लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर) बना रहे हैं। उन्हें उम्मीद है कि यदि वे चीजों को पर्याप्त जोर से टकराएंगे, तो नए, भारी निवासी बाहर निकल आएंगे।

लेकिन एक समस्या है: कुछ निवासी इतने शर्मीले और कमजोर होते हैं कि वे इन उच्च-गति वाली टक्करों में दिखाई नहीं देते, भले ही वे मौजूद हों। वे "फीबल इंटरैक्टर्स" (कमजोर अंतःक्रिया करने वाले) हैं—ऐसे कण जो हल्के हैं लेकिन दूसरों के साथ बहुत कम संवाद करते हैं। उन्हें खोजने के लिए, आपको एक बड़े हथौड़े की नहीं, बल्कि एक विशाल भीड़ की आवश्यकता है।

यह लेख SHiP (सर्च फॉर हिडन पार्टिकल्स) को प्रस्तुत करता है, जो एक नया प्रयोग है जिसे 2024 में स्विट्जरलैंड के सर्न (CERN) में बनाने के लिए मंजूरी दी गई है। SHiP को एक भारी हथौड़े के रूप में नहीं, बल्कि कणों की नदी में फेंके गए एक विशाल जाल के रूप में सोचें।

सेटअप: एक कण कारखाना

यह प्रयोग प्रोटॉन की एक शक्तिशाली बीम (नदी) का उपयोग करता है और इसे टंगस्टन के एक मोटे ब्लॉक (जाल) से टकराता है।

लक्ष्य: यह टक्कर भारी कणों का एक विशाल समूह बनाती है, जिनमें से कुछ उन "शर्मीले" छिपे हुए कणों में बदल सकते हैं जिन्हें हम खोज रहे हैं।
आयतन (Volume): 15 वर्षों में, वे इतने प्रोटॉन दागने की योजना बना रहे हैं कि 600 अरब अरब (6×10²⁰) हिट्स पैदा हो सकें। यह डेटा की एक अभूतपूर्व मात्रा है।

चुनौती: "शोर" की समस्या

जब आप प्रोटॉन को किसी लक्ष्य से टकराते हैं, तो आपको बहुत सारा "शोर" मिलता है। सबसे बड़ा व्यवधान म्यूऑन्स (एक प्रकार के कण) और न्यूट्रिनो की बाढ़ है। यह चीखते हुए प्रशंसकों से भरे स्टेडियम में एक फुसफुसाहट सुनने की कोशिश करने जैसा है।

समाधान: SHiP चिल्लाते हुए म्यूऑन्स को दूर हटाने के लिए एक विशाल चुंबकीय ढाल (एक बल क्षेत्र की तरह) का उपयोग करता है।
"जीरो-बैकग्राउंड" कमरा: ढाल के पीछे, एक लंबा, खाली सुरंग (क्षय आयतन/decay volume) है। प्रयोग को इस तरह डिजाइन किया गया है कि यदि कोई भी कण उस कमरे में प्रवेश करता है जिसे वहां नहीं होना चाहिए, तो सेंसर तुरंत उसे चिह्नित कर देंगे। यह एक "जीरो-बैकग्राउंड" वातावरण बनाता है जहाँ एक एकल छिपे हुए कण का क्षय होना भी एक स्पष्ट, निर्विवाद संकेत होगा।

प्रयोग के दो मुख्य कार्य

1. "घोस्ट हंटर" (छिपे हुए कणों की खोज)
प्रयोग उन कणों की तलाश करता है जो टक्कर में उत्पन्न होते हैं, ढाल के माध्यम से उड़ते हैं, और फिर लंबी सुरंग के भीतर क्षय (टूट जाते) होते हैं।

वे क्या खोज रहे हैं: हेवी न्यूट्रल लेप्टोन (HNLs), डार्क फोटोन, डार्क स्केलर और एक्सियन-लाइक पार्टिकल्स।
उपमा: कल्पना कीजिए कि एक गुप्त एजेंट (छिपा हुआ कण) सुरक्षा जांच से चुपके से गुजर रहा है। वे गार्डों के लिए अदृश्य हैं, लेकिन एक बार जब वे एक सुरक्षित कमरे (सुरंग) में पहुँच जाते हैं, तो वे अपना भेष उतार देते हैं और खुद को प्रकट करते हैं। SHiP के कैमरे इतने संवेदनशील हैं कि वे उनका भेष उतारते हुए देख सकते हैं।
यह क्यों महत्वपूर्ण है: ये कण समझा सकते हैं कि ब्रह्मांड में पदार्थ (matter) और प्रति-पदार्थ (antimatter) के बीच पदार्थ अधिक क्यों है, डार्क मैटर क्या है, और न्यूट्रिनो का द्रव्यमान क्यों है।

2. "न्यूट्रिनो वेधशाला" (भूतों का अध्ययन)
मुख्य लक्ष्य नए कणों को खोजना है, लेकिन टक्कर से न्यूट्रिनो (भूतिया कण जो हर चीज से गुजर जाते हैं) की एक विशाल बाढ़ भी पैदा होती है।

विशेष उपलब्धि: SHiP प्रति वर्ष लगभग 1,000 टॉर न्यूट्रिनो को पकड़ लेगा। यह पिछले प्रयोगों की तुलना में एक बहुत बड़ी संख्या है।
उपमा: पिछले प्रयोग एक दुर्लभ पक्षी को दशकों में एक बार देखने की कोशिश करने जैसे थे। SHiP एक बर्डवॉचिंग टॉवर की तरह होगा जो हर साल इन हजारों दुर्लभ पक्षियों को देखेगा।
लक्ष्य: यह वैज्ञानिकों को यह अध्ययन करने की अनुमति देता है कि ये न्यूट्रिनो पदार्थ के साथ कैसे अंतःक्रिया करते हैं, विशेष रूप से यह देखने के लिए कि वे "टॉर" कणों में कैसे बदलते हैं।

समयरेखा और भविष्य

वर्तमान स्थिति: परियोजना "तकनीकी डिजाइन" चरण (ब्लूप्रिंट को अंतिम रूप देना) में है।
निर्माण: सुविधा का निर्माण अभी किया जा रहा है।
लॉन्च: वे 2033 में बीम दागना शुरू करने की उम्मीद करते हैं।
शुरुआती जीत: पूर्ण 15 साल का रन पूरा होने से पहले भी, पहले कुछ वर्षों में एकत्र किया गया डेटा संभवतः दुनिया की सर्वश्रेष्ठ सीमाएं निर्धारित करेगा कि छिपे हुए कण कहाँ नहीं हैं, जिससे भौतिकी समुदाय के बाकी लोगों के लिए खोज का दायरा प्रभावी रूप से कम हो जाएगा।

सारांश में

SHiP प्रयोग रणनीति में एक बदलाव है। भारी नई भौतिकी को खोजने के लिए चीजों को अधिक जोर से टकराने के बजाय, यह डेटा के एक विशाल आयतन को देखने की कोशिश कर रहा है ताकि उन हल्के, शर्मीले कणों को खोजा जा सके जो सामने ही छिपे हुए हैं। यह "म्यूऑन-विक्षेपित ढाल", एक "शांत सुरंग" और "अति-संवेदनशील कैमरों" को मिलाकर ब्रह्मांड के छिपे हुए रहस्यों की मंद फुसफुसाहट सुनने का काम करता है।

SHiP/NA67 प्रयोग के शोध पत्र का तकनीकी सारांश

समस्या और प्रेरणा
मानक मॉडल (Standard Model - SM) वर्तमान डेटा के साथ सुसंगत है, लेकिन यह कई स्थापित प्रेक्षणों की व्याख्या करने में विफल रहता है, जिनमें न्यूट्रिनो द्रव्यमान की उत्पत्ति और लघुता, ब्रह्मांड की बेयोनिक विषमता (baryon asymmetry), और डार्क मैटर की प्रकृति शामिल हैं। ये अंतराल 'स्टैंडर्ड मॉडल से परे भौतिकी' (Physics Beyond the Standard Model - BSM) की उपस्थिति का सुझाव देते हैं। जबकि उच्च-ऊर्जा सीमा वाले संस्थान (जैसे HL-LHC, FCC) भारी नई अवस्थाओं की खोज करते हैं, कई संभावित BSM उम्मीदवार मौजूदा मशीनों पर सीधे उत्पादित होने के लिए बहुत कमजोर रूप से युग्मित (weakly coupled) हो सकते हैं। ये "दुर्बल रूप से परस्पर क्रिया करने वाले कण" (Feebly Interacting Particles - FIPs), जैसे कि भारी न्यूट्रल लेप्टोन (HNLs), डार्क फोटॉन, डार्क स्केलर, एक्सियन-लाइक पार्टिकल्स (ALPs), और हल्का डार्क मैटर, SM के साथ इतनी कम शक्ति से परस्पर क्रिया करते हैं कि पारंपरिक पहचान के लिए वे बहुत कमजोर होते हैं, लेकिन उनका द्रव्यमान O(100 MeV) से कुछ-GeV रेंज में होता है। शोध पत्र का तर्क है कि उच्च-तीव्रता वाली खोजें, जहाँ उच्च उत्पादन दरें कम युग्मन शक्ति (coupling strength) की भरपाई करती हैं, इस पैरामीटर स्पेस को खोजने के लिए आवश्यक रणनीति हैं।

कार्यप्रणाली और प्रयोगात्मक अवधारणा
SHiP/NA67 प्रयोग एक सामान्य-उद्देश्य वाला, उच्च-तीव्रता वाला बीम डंप प्रयोग है जिसे CERN के सुपर-प्रोटॉन-सिनक्रोट्रॉन (SPS) के ECN3 हॉल में नए बीम डंप फैसिलिटी (BDF) का उपयोग करके डिज़ाइन किया गया है। यह कार्यप्रणाली FIPs का पता लगाने के लिए तीन मुख्य घटकों पर निर्भर करती है:

उच्च-तीव्रता उत्पादन: 400 GeV/c प्रोटॉन बीम को टंगस्टन लक्ष्य (tungsten target) पर निर्देशित किया जाता है ताकि भारी-फ्लेवर हैड्रोन (चार्म और ब्यूटी) के उत्पादन को अधिकतम किया जा सके, जो FIPs के स्रोत के रूप में कार्य करते हैं। प्रयोग का लक्ष्य लगभग 15 वर्षों में $6 \times 10^{20}$ प्रोटॉन्स ऑन टारगेट (PoT) एकत्र करना है।
बैकग्राउंड दमन (Background Suppression): प्राथमिक चुनौती डंप से निकलने वाले मयून (muons) और न्यूट्रिनो का तीव्र प्रवाह है। "शून्य-बैकग्राउंड" स्थितियाँ प्राप्त करने के लिए, प्रयोग अवशिष्ट मयून को छह गुना कम करने के लिए एक चुंबकीय सक्रिय मयून शील्ड का उपयोग करता है।
क्षय और पहचान (Decay and Detection): एक लंबा, इंस्ट्रुमेंटेड क्षय आयतन (decay volume) FIPs को दृश्य SM कणों में क्षय होने की अनुमति देता है। प्रयोग दुर्लभ क्षयों को पुनर्गठित करने और बैकग्राउंड को नगण्य स्तर तक दबाने के लिए एक बहु-स्तरीय डिटेक्टर प्रणाली का उपयोग करता है।

डिटेक्टर उपप्रणाली (Detector Subsystems)
प्रयोगात्मक सेटअप में कई विशिष्ट उपप्रणालियाँ शामिल हैं:

लक्ष्य और मयून शील्ड: एक सक्रिय कूलिंग वाला टंगस्टन लक्ष्य और एक चुंबकीय हैड्रोन एब्जॉर्बर। एक चुंबकीय सक्रिय मयून शील्ड मयून प्रवाह को छह गुना कम कर देती है।
स्कैटरिंग और न्यूट्रिनो डिटेक्टर (SND@SHiP): लक्ष्य के डाउनस्ट्रीम में स्थित, यह प्रणाली सिलिकॉन-टंगस्टन लक्ष्य और एक आयरन-सिंटिलेटर चुंबकीय ट्रैकिंग कैलोरीमीटर का उपयोग करती है। इसे सभी फ्लेवर के न्यूट्रिनो इंटरैक्शन की पहचान करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, विशेष रूप से प्रति वर्ष $\mathcal{O}(10^4)$ $\nu_\tau$ इंटरैक्शन को लक्षित करता है। इसका लक्ष्य संरचना कार्यों $F_4$ और $F_5$ (जो केवल टॉरो न्यूट्रिनो के माध्यम से सुलभ हैं) को मापना, निम्न $x$ पर पार्टोन वितरण कार्यों का अध्ययन करना और स्ट्रेंज-क्वार्क न्यूक्लियोन सामग्री को मापना है। यह इलेक्ट्रॉनों से टकराने वाले हल्के डार्क मैटर का पता लगाने में भी सक्षम है।
बैकग्राउंड टैगर्स: शून्य-बैकग्राउंड वातावरण सुनिश्चित करने के लिए, प्रयोग एक अपस्ट्रीम बैकग्राउंड टैगर (UBT) का उपयोग करता है जिसमें स्ट्रॉ ट्रैकर्स और सिंटिलेटर टाइल्स हैं, और एक सर्राउंडिंग बैकग्राउंड टैगर (SBT) है। SBT हीलियम से भरे क्षय आयतन को लगभग 780 सेल के साथ घेरता है जिसमें ~145,000 L लिक्विड सिंटिलेटर होता है, जिसे वेवलेंथ-शिफ्टिंग ऑप्टिकल मॉड्यूल द्वारा पढ़ा जाता है। यह प्रणाली अवशिष्ट मयून और वेसल की दीवारों में न्यूट्रिनो इंटरैक्शन को टैग करने के लिए >99% दक्षता और सब-1 ns टाइमिंग रेजोल्यूशन प्राप्त करती है।
हिडन सेक्टर क्षय स्पेक्ट्रोमीटर: यह प्रणाली दृश्य क्षय उत्पादों को पुनर्गठित करती है। इसमें शामिल हैं:
- एक स्पेक्ट्रोमीटर स्ट्रॉ ट्रैकर (चार स्टेशन) जो एक बड़े डाइपोल मैग्नेट (0.6–0.8 T m) के साथ जुड़ा हुआ है, जो 120 $\mu$ m स्थानिक रेजोल्यूशन प्रदान करता है।
- एक टाइमिंग डिटेक्टर जो कॉम्बिनेटोरियल बैकग्राउंड को दबाने के लिए $\le$ 50 ps रेजोल्यूशन वाले सिंटिलेटर बार का उपयोग करता है।
- एक कैलोरीमीटर सिस्टम (SplitCal अवधारणा) जिसमें इलेक्ट्रोमैग्नेटिक और हैड्रोनिक सेक्शन शामिल हैं, जिसमें विद्युत चुम्बकीय शॉवर दिशाओं को मापने और न्यूट्रल अंतिम अवस्थाओं (जैसे, $X \to \gamma\gamma$ ) की पहचान करने के लिए समर्पित उच्च-परिशुद्धता परतें शामिल हैं।

प्रमुख योगदान और अपेक्षित परिणाम
यह शोध पत्र विभिन्न FIP मॉडलों की विस्तृत श्रृंखला में SHiP की अपेक्षित संवेदनशीलता की रूपरेखा प्रस्तुत करता है।

FIP संवेदनशीलता: O(100 MeV) से कुछ-GeV रेंज के द्रव्यमान के लिए, SHiP मौजूदा और प्रस्तावित प्रयोगों की पहुंच से कहीं आगे जाकर विश्व-अग्रणी या रिकॉर्ड संवेदनशीलता प्रदान करने के लिए अनुमानित है। यह HNLs, डार्क फोटॉन, डार्क स्केलर, ALPs, इलास्टिक और इनइलास्टिक लाइट डार्क मैटर, और मिलिचार्ज्ड पार्टिकल्स को लक्षित करता है।
न्यूट्रिनो भौतिकी: प्रयोग न्यूट्रिनो का एक तीव्र प्रवाह उत्पन्न करेगा, विशेष रूप से $\mathcal{O}(10^3)$ $\nu_\tau$ प्रति वर्ष। यह $F_4$ और $F_5$ संरचना कार्यों के पहले निर्धारण को सक्षम करेगा और सभी फ्लेवर्स के न्यूट्रिनो इंटरैक्शन के अध्ययन के लिए उच्च-सांख्यिकी नमूने प्रदान करेगा।
समयसीमा: सहयोग वर्तमान में तकनीकी डिजाइन रिपोर्ट (TDR) चरण में है, जिसके आउटपुट दो वर्षों के भीतर अपेक्षित हैं। BDF का निर्माण जारी है, और 2033 तक बीम कमीशनिंग का अनुमान है। शोध पत्र नोट करता है कि आगामी लंबे शटडाउन से पहले एकत्र किया गया डेटा पहले से ही SHiP को उसके अधिकांश पैरामीटर स्पेस पर विश्व-अग्रणी सीमाएं निर्धारित करने की अनुमति देगा।

महत्व
शोध पत्र दावा करता है कि ऊर्जा सीमा (energy frontier) ने अब तक स्टैंडर्ड मॉडल से परे कोई नई भौतिकी प्रकट नहीं की है, जो तीव्रता सीमा (intensity frontier) के पूरक अन्वेषण के लिए दृढ़ता से प्रेरित करती है। SHiP/NA67 को एक ऐसी सुविधा के रूप में प्रस्तुत किया गया है जो फेबली इंटरैक्टिंग पार्टिकल फ्रंटियर को सीधे खोजने और सभी-फ्लेवर न्यूट्रिनो इंटरैक्शन का अध्ययन करने के लिए विश्व-अग्रणी संवेदनशीलता रखती है। अनिवार्य रूप से बैकग्राउंड-मुक्त शासन (regime) में काम करके, प्रयोग का लक्ष्य उन मौलिक प्रश्नों को हल करना है जो न्यूट्रिनो द्रव्यमान, डार्क मैटर और बेयोनिक विषमता के संबंध में पिछले तरीकों से बच गए हैं। प्रयोग को 2024 के लिए अनुमोदित किया गया है और 2033 में CERN SPS में डेटा संग्रह शुरू करने के लिए निर्धारित है।