Electromagnetic Shower Reconstruction and Identification in FASER's Emulsion Detector for LHC Forward Neutrino Measurements

पृथ्वी की सतह के बहुत नीचे, जहाँ सर्न (CERN) में लार्ज हैड्रोन कोलाइडर (LHC) प्रोटॉन को लगभग प्रकाश की गति से टकराता है, कणों की एक छिपी हुई दुनिया जन्म लेती है। खरबों टक्करों के बीच, न्यूट्रिनो नामक एक दुर्लभ और मायावी प्रकार का कण बाहर निकलता है, जो अपने आस-पास के पदार्थ के साथ बहुत कम अंतःक्रिया करता है। ये रहस्यमयी कण ब्रह्मांड के मूलभूत बलों के बारें में रहस्य समेटे हुए हैं, लेकिन उन्हें पकड़ना बेहद कठिन है। इनका अध्ययन करने के लिए, वैज्ञानिकों को ऐसे डिटेक्टर बनाने होते हैं जो उनके गुजरने के सबसे सूक्ष्म निशानों को देख सकें, जो अक्सर प्रकाश की हल्की चमक या उन सूक्ष्म खरोंचों की तलाश करते हैं जो तब पीछे छूट जाती हैं जब एक न्यूट्रिनो अंततः किसी परमाणु से टकराने का निर्णय लेता है। ऐसा ही एक प्रयोग, जिसे FASER के नाम से जाना जाता है, मुख्य टकराव बिंदु से लगभग आधा किलोमीटर दूर स्थित है, जिसे इन उच्च गति वाले कणों को उनके आगे की ओर उड़ते समय पकड़ने के लिए तैनात किया गया है। वैज्ञानिकों के लिए चुनौती केवल न्यूट्रिनो को पकड़ना नहीं है, बल्कि अन्य कणों के भारी शोर, विशेष रूप से म्यूऑन (muons) के बीच, उस विशिष्ट प्रकार के न्यूट्रिनो की पहचान करना है जो एक इलेक्ट्रॉन बनाता है, क्योंकि म्यूऑन बहुत अधिक सामान्य होते हैं और आसानी से डिटेक्टर को भ्रमित कर सकते हैं।

इस चुनौती का मूल आधार यह है कि जब ये कण डिटेक्टर से टकराते हैं तो वे कैसे व्यवहार करते हैं। जब एक उच्च-ऊर्जा वाला इलेक्ट्रॉन डिटेक्टर में प्रवेश करता है, तो वह किसी गोली की तरह एक सीधी रेखा में नहीं चलता। इसके बजाय, यह एक 'कैस्केड' (cascade) या कणों की एक बौछार को सक्रिय करता है, जो भारी धातु की परतों के माध्यम से टकराते हुए नए कणों के रूप में कई गुना बढ़ जाते हैं और फैल जाते हैं। यह विद्युत चुम्बकीय बौछार (electromagnetic shower) ऊर्जा के एक शाखाओं वाले पेड़ की तरह दिखती है, जो सामग्री में गहराई तक जाने के साथ घनी और चौड़ी होती जाती है। इसके विपरीत, एक म्यूऑन, जो इलेक्ट्रॉन का एक भारी संबंधी है, डिटेक्टर के माध्यम से सीधा छेद करते हुए निकल जाता है, जिससे एक एकल, पतली और उल्लेखनीय रूप से सीधी रेखा (track) पीछे रह जाती है। Faser प्रयोग का लक्ष्य इन इलेक्ट्रॉन बौछारों की पहचान करना है ताकि यह गिना जा सके कि कितने इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो आ रहे हैं। हालाँकि, डिटेक्टर म्यूऑन के समुद्र से भरा हुआ है, और कार्य उन कुछ इलेक्ट्रॉन बौछारों को ढूंढना है जो उस समुद्र के भीतर छिपे हुए हैं, बिना उन म्यूऑन से भ्रमित हुए जो गलती से एक बौछार की तरह दिख सकते हैं।

इसे हल करने के लिए, Faser सहयोग के शोधकर्ताओं ने एक विशेष डिटेक्टर का उपयोग करके एक नई विधि का परीक्षण किया, जो टंगस्टन (tungsten) की मोटी प्लेटों के बीच रखे गए फोटोग्राफिक फिल्म, जिसे इमल्शन (emulsion) कहा जाता है, से भरा हुआ है। उन्होंने इस डिटेक्टर को सर्न के एक टेस्ट बीम में ले जाया, जहाँ उन्होंने इस पर 100 बिलियन और 200 बिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट की ऊर्जा के साथ इलेक्ट्रॉनों की बीम छोड़ी, जो लार्ज हैड्रोन कोलाइडर में अपेक्षित स्थितियों की नकल करती है। उन्होंने डिटेक्टर पर म्यूऑन भी छोड़े ताकि यह देखा जा सके कि सिस्टम कितनी बार एक म्यूऑन को इलेक्ट्रॉन समझने की गलती करता है। यह डिटेक्टर इमल्शन परतों के माध्यम से गुजरने वाले प्रत्येक आवेशित कण के पथ को कैप्चर करके काम करता है। जब कोई कण फिल्म के माध्यम से चलता है, तो वह चांदी के सूक्ष्म दानों (silver grains) की एक लकीर छोड़ देता है जिसे सूक्ष्मदर्शी (microscope) के नीचे देखा जा सकता है। कई फिल्म परतों में इन दानों को जोड़कर, वैज्ञानिक अविश्वसनीय सटीकता के साथ, एक मानव बाल की चौड़ाई तक, कण के त्रि-आयामी पथ का पुनर्निर्माण कर सकते हैं।

शोधकर्ताओं ने इन लाखों सूक्ष्म पथों के बीच छाँटने के लिए एक नया कंप्यूटर एल्गोरिदम विकसित किया। सबसे पहले, सिस्टम स्पष्ट म्यूऑन को बाहर करने के लिए उन ट्रैकों की तलाश करता है जो बहुत लंबे और बहुत सीधे हैं। फिर, यह शेष बचे उम्मीदवारों पर ध्यान केंद्रित करता है कि क्या वे इलेक्ट्रॉन की एक घनी, शाखाओं वाली बौछार बनाते हैं। एल्गोरिदम एक स्मार्ट क्लस्टरिंग तकनीक का उपयोग करता है जो पास के कण पथों को एक साथ समूहबद्ध करता है, और किसी भी दिए गए स्थान में ट्रैकों के भीड़भाड़ के आधार पर अपनी संवेदनशीलता को स्वचालित रूप से समायोजित करता है। यह इसे अलग-अलग ऊर्जा स्तरों के लिए मैन्युअल रूप से ट्यून किए बिना बौछार के केंद्र को खोजने की अनुमति देता है। एक बार जब एक संभावित बौछार मिल जाती है, तो सिस्टम उसके आकार और फैलाव की जाँच करता है। यदि ट्रैक व्यापक रूप से फैलते हैं और तेजी से कई गुना होते हैं, तो यह संभवतः एक इलेक्ट्रॉन है। यदि वे तंग और सीधे रहते हैं, तो यह संभवतः एक म्यूऑन है। पूरी तरह से सुनिश्चित होने के लिए, टीम ने एक मशीन लर्निंग क्लासिफायर, जो कृत्रिम बुद्धिमत्ता का एक प्रकार है, को प्रशिक्षित किया ताकि वह बौछार के आकार के दस अलग-अलग लक्षणों के आधार पर दोनों पैटर्न के बीच सूक्ष्म अंतर को पहचान सके।

इन परीक्षणों के परिणाम अत्यधिक सफल रहे। नई विधि इलेक्ट्रॉनों और म्यूऑनों के बीच अंतर करने में अत्यंत प्रभावी सिद्ध हुई। टेस्ट बीम में, सिस्टम ने 99.9 प्रतिशत से अधिक म्यूऑन बैकग्राउंड को खारिज कर दिया, जिसका अर्थ है कि लगभग हर म्यूऑन को सही ढंग से पहचाना गया और हटा दिया गया। साथ ही, इसने इलेक्ट्रॉन संकेतों के एक बड़े हिस्से को बनाए रखा, 100 बिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट की घटनाओं का लगभग 59 प्रतिशत और 200 बिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट की घटनाओं का लगभग 71 प्रतिशत पुनर्निर्माण किया। यह संतुलन महत्वपूर्ण है; यदि सिस्टम बहुत सख्त होता, तो यह वास्तविक न्यूट्रिनो घटनाओं को फेंक देता, लेकिन यदि यह बहुत ढीला होता, तो यह नकली संकेतों से भर जाता। टीम ने यह भी दिखाया कि वे आने वाले इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा को अच्छी सटीकता के साथ माप सकते हैं। पुनर्निर्मित बौछार में कण पथों की कुल संख्या को गिनकर, वे मूल इलेक्ट्रॉन की ऊर्जा का अनुमान लगा सकते थे। उनके माप ज्ञात बीम ऊर्जा के बहुत करीब थे, जिनमें एक प्रतिशत से भी कम का मामूली अंतर था, और उनके मापों का प्रसार भौतिक अनुसंधान के लिए उपयोगी होने के लिए पर्याप्त छोटा था।

शायद सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि शोधकर्ताओं ने पाया कि उनकी विधि त्रुटि के मुख्य स्रोत के विरुद्ध मजबूत है: कि फोटोग्राफिक फिल्म ट्रैकों को कितनी अच्छी तरह कैप्चर करती है इसमें भिन्नता। फिल्म की दक्षता एक टुकड़े से दूसरे टुकड़े में थोड़ी बदल सकती है, जो ऊर्जा गणना को बिगाड़ सकती है। विभिन्न अनुमानित दक्षताओं के साथ अपने सिस्टम का परीक्षण करके, उन्होंने निर्धारित किया कि यह भिन्नता उनके ऊर्जा मापों में लगभग दस प्रतिशत की व्यवस्थित अनिश्चितता (systematic uncertainty) जोड़ती है। हालांकि यह एक महत्वपूर्ण मार्जिन है, लेकिन यह अच्छी तरह से समझा गया है और अंतिम विश्लेषण में इसका हिसाब लगाया जा सकता है। अध्ययन ने पुष्टि की कि डिटेक्टर और नया पुनर्निर्माण सॉफ्टवेयर, लार्ज हैड्रोन कोलाइडर में मौजूद म्यूऑन के तीव्र बैकग्राउंड की उपस्थिति में भी, सहजता से एक साथ काम करते हैं।

यह कार्य Faser प्रयोग को अपने वास्तविक मिशन को शुरू करने के लिए एक प्रमाणित ब्लूप्रिंट प्रदान करता है। इन विधियों के लागू होने के साथ, सहयोग अब लार्ज हैड्रोन कोलाइडर से डेटा का विश्लेषण करने के लिए आत्मविश्वास के साथ इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो कितनी बार पदार्थ के साथ अंतःक्रिया करते हैं, इसे मापने के लिए तैयार है। यह भौतिकविदों को उच्च-ऊर्जा टकरावों में उत्पन्न न्यूट्रिनो की संरचना को समझने और कण भौतिकी के मानक मॉडल (Standard Model) का परीक्षण करने में मदद करेगा। इन दुर्लभ घटनाओं को म्यूऑन के भारी बैकग्राउंड से अलग करने की क्षमता Faser डिटेक्टर की क्षमता को अनलॉक करने वाली कुंजी है। इलेक्ट्रॉन बौछारों को स्पष्ट रूप से देखने और उनकी ऊर्जा को विश्वसनीय रूप से मापने की अपनी क्षमता को सिद्ध करके, टीम ने न्यूट्रिनो भौतिकी के एक नए युग का मार्ग प्रशस्त किया है, जिससे एक सुरंग में दबे डिटेक्टर को ब्रह्मांड के सबसे मायावी कणों की खोज के लिए एक सटीक उपकरण में बदल दिया गया है।