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The Silicon Tracking System of the E16 experiment at J-PARC: construction, installation and commissioning in beam test experiments

यह शोध पत्र 15 सिलिकॉन ट्रैकिंग सिस्टम मॉड्यूल के निर्माण, लक्षण वर्णन, कमीशनिंग और बीम टेस्ट प्रदर्शन का विवरण देता है, जिन्हें मूल रूप से FAIR-CBM प्रयोग के लिए विकसित किया गया था, और जिन्हें चिरल सिमिट्री रेस्टोरेशन (chiral symmetry restoration) संकेतों की खोज के लिए J-PARC E16 प्रयोग में स्थापित और संचालित किया गया था।

मूल लेखक: Dairon Rodríguez Garcés, Rento Yamada, Kazuya Aoki, Lady Maryann Collazo Sánchez, Hideto En'yo, David Emschermann, Jürgen Eschke, Ulrich Frankenfeld, David Gutiérrez Menéndez, Johann M. Heuser, Masaya

प्रकाशित 2026-06-19

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Dairon Rodríguez Garcés, Rento Yamada, Kazuya Aoki, Lady Maryann Collazo Sánchez, Hideto En'yo, David Emschermann, Jürgen Eschke, Ulrich Frankenfeld, David Gutiérrez Menéndez, Johann M. Heuser, Masaya Ichikawa, Ralf Kapell, Irakli Keshelashvili, Jörg Lehnert, Tomoki Murakami, Wataru Nakai, Shunnosuke Nagafusa, Satomi Nakasuga, Megumi Naruki, Frederike Nickels, Shuta Ochiai, Kyoichiro Ozawa, Darío Alberto Ramírez Zaldívar, Adrian Rodríguez Rodríguez, Kerstin Schuenemann, Christian Joachim Schmidt, Hans Rudolf Schmidt, Mehulkumar Shiroya, Carmen Simons, Tomonori Takahashi, Maksym Teklishyn, Alberica Toia, Oleg Vasylyev, Robert Visinka, Yorito Yamaguchi, Wojciech Zabolotny

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

एक उच्च-गति वाली दौड़ की कल्पना करें जहाँ वैज्ञानिक एक भूत की झलक पाने की कोशिश कर रहे हैं। कण भौतिकी (particle physics) की दुनिया में, यह "भूत" उन बदलावों को दर्शाता है जो तब होते हैं जब कणों को परमाणु टकराव की चरम स्थितियों में एक साथ दबाया जाता है। जापान के J-PARC केंद्र में E16 प्रयोग वह रेस कार है जिसे इन भूतों को पकड़ने के लिए डिज़ाइन किया गया है।

इसे करने के लिए, वैज्ञानिकों को नई आँखों की आवश्यकता थी: एक सिलिकॉन ट्रैकिंग सिस्टम (STS)। यह शोध पत्र बताता है कि कैसे उन्होंने इन नई आँखों को बनाया, उनका परीक्षण किया और उन्हें स्थापित किया, यह सिद्ध करते हुए कि वे देखने के लिए पर्याप्त सटीक हैं जितना उन्हें देखने की आवश्यकता है।

यहाँ E16-STS की कहानी है, जिसे सरल भागों में विभाजित किया गया है।

1. मिशन: अदृश्य को पकड़ना

यह प्रयोग कार्बन और कॉपर से बने लक्ष्यों (targets) में प्रोटॉन की एक शक्तिशाली बीम (छोटे, तेज़ बुलेट्स की तरह) दागता है। जब ये प्रोटॉन लक्ष्यों से टकराते हैं, तो वे कणों की एक बौछार पैदा करते हैं। वैज्ञानिक विशेष रूप से "डाईइलेक्ट्रॉन्स" (इलेक्ट्रॉनों के जोड़े) की तलाश कर रहे हैं जो एक विशिष्ट प्रकार के कण क्षय (decay) से आते हैं।

चुनौती:
बीम अविश्वसनीय रूप से तेज़ और भीड़भाड़ वाली है—जैसे एक राजमार्ग जहाँ हर सेकंड एक बिंदु से 1 करोड़ कारें गुजर रही हों। पिछले प्रयोगों में उपयोग किए गए पुराने कैमरे (डिटेक्टर) बहुत धीमे और बहुत भारी थे; वे भ्रमित हो जाते और कार्रवाई को मिस कर देते। वैज्ञानिकों को एक ऐसे कैमरे की आवश्यकता थी जो था:

हल्का (Lightweight): ताकि यह दृश्य को बाधित न करे।
तेज़ (Fast): ताकि यह प्रति सेकंड लाखों कारों की तस्वीरें खींच सके।
तीक्ष्ण/स्पष्ट (Sharp): ताकि यह देख सके कि एक कार ठीक कहाँ है, एक मानव बाल की चौड़ाई तक।

2. समाधान: एक प्रमाणित डिज़ाइन का उपयोग करना

शून्य से एक नया कैमरा बनाने के बजाय, टीम ने एक ऐसा डिज़ाइन उपयोग करने का निर्णय लिया जो पहले से ही जर्मनी में CBM (कंप्रेस्ड बैरियोनिक मैटर) नामक एक अलग, विशाल प्रयोग के लिए बनाया जा रहा है। इसे ऐसे समझें जैसे एक रेस कार टीम एक नया इंजन बनाने के बजाय अपने किसी साथी दल के प्रमाणित, उच्च-प्रदर्शन वाले इंजन का उपयोग करने का निर्णय लेती है।

उन्होंने इस CBM तकनीक का उपयोग करके 15 मॉड्यूल (कैमरा लेंस) बनाए। प्रत्येक मॉड्यूल सिलिकॉन सेंसर (फिल्म) और कस्टम इलेक्ट्रॉनिक्स (प्रोसेसर) का एक सैंडविच है जो सिग्नल को तुरंत पढ़ सकता है।

3. "लेंस" का निर्माण और परीक्षण

इन मॉड्यूल्स को रेस कार में जाने से पहले, उन्हें एक कठोर निरीक्षण से गुजरना पड़ा, ठीक वैसे ही जैसे एक नई कार को ट्रैक पर उतरने से पहले सुरक्षा परीक्षण से गुजरना पड़ता है।

असेंबली: टीम ने जर्मनी की एक लैब में मॉड्यूल्स को असेंबल किया। उन्होंने बहुत पतले, लचीले केबलों (जैसे एक हाई-डेफिनिशन स्क्रीन को कंप्यूटर से जोड़ना) का उपयोग करके सिलिकॉन स्ट्रिप्स को इलेक्ट्रॉनिक चिप्स से जोड़ा।
"IV" परीक्षण: उन्होंने जांचा कि सेंसर के माध्यम से कितनी बिजली लीक हो रही है। यह टायर में धीरे-धीरे होने वाले रिसाव की जाँच करने जैसा है; यदि रिसाव बहुत अधिक है, तो सेंसर काम नहीं करेगा। उन्होंने पाया कि सेंसर एक निश्चित बिंदु तक पूरी तरह से दबाव बनाए रखते हैं।
"शोर" (Noise) की जाँच: प्रत्येक इलेक्ट्रॉनिक उपकरण में एक बैकग्राउंड हमिंग (स्टैटिक) होती है। टीम ने इस "शोर" को मापा ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि यह कणों के सूक्ष्म संकेतों को सुनने के लिए पर्याप्त शांत है। उन्होंने पाया कि शोर बहुत कम था, जिसका अर्थ है कि सेंसर बहुत स्पष्ट होंगे।
रेडियोधर्मी टॉर्च: यह परीक्षण करने के लिए कि क्या सेंसर वास्तव में कणों को "देख" सकते हैं, उन्होंने मॉड्यूल्स पर एक रेडियोधर्मी स्रोत (एक सुरक्षित, नियंत्रित बीटा उत्सर्जक) चमकाया। यह अंधेरे कमरे में टॉर्च जलाने जैसा है ताकि यह देखा जा सके कि कैमरा सेंसर प्रकाश को पकड़ पाता है या नहीं। सेंसर ने सफलतापूर्वक प्रकाश का पता लगाया और सटीक रूप से बताया कि वह कहाँ टकराया।

4. ट्रैक टेस्ट: बीम प्रयोग

जब मॉड्यूल्स लैब परीक्षण पास कर चुके थे, तो उन्हें जापान भेजा गया और E16 डिटेक्टर में स्थापित किया गया। 2023 के अंत में, उन्होंने इलेक्ट्रॉनों की एक वास्तविक बीम के साथ पूरे सिस्टम का परीक्षण किया।

सेटअप:
कल्पना करें कि एक सुरंग है जहाँ इलेक्ट्रॉनों की एक बीम (रेस कारें) भेजी जाती है। नए सिलिकॉन डिटेक्टर को चार प्लास्टिक "सिंटिलेटर" (जो टाइमिंग गेट्स के रूप में कार्य करते हैं) के बीच सैंडविच की तरह रखा गया था।

सिंटिलेटर रेफरी के रूप में कार्य करते थे। उन्होंने कहा, "एक कार अभी गुजरी!"
सिलिकॉन डिटेक्टर एक फोटोग्राफर की तरह था, जो यह रिकॉर्ड करने की कोशिश कर रहा था कि जब रेफरी ने सीटी बजाई, तो कार ठीक कहाँ थी।

परिणाम:

गति (Time Resolution): डिटेक्टर अविश्वसनीय सटीकता के साथ बता सका कि एक कण कब गुजरा—3.2 नैनोसेकंड के भीतर। यह लगभग उस समय के बराबर है जो एक ध्वनि तरंग को रेत के एक कण की लंबाई तय करने में लगता है। यह प्रति सेकंड 1 करोड़ हिट्स के साथ तालमेल बिठाने के लिए पर्याप्त तेज़ है।
तीक्ष्णता (Position Resolution): डिटेक्टर लगभग 42 से 70 माइक्रोमीटर के भीतर एक कण के स्थान का पता लगा सका। इसे समझने के लिए: यदि सिलिकॉन सेंसर एक फुटबॉल के मैदान के आकार का होता, तो वह आपको बता सकता था कि एक कण किस विशिष्ट घास के तिनके पर गिरा।
स्पष्टता (Signal-to-Noise): अजीब कोणों पर बीम टकराने के बावजूद, तस्वीर स्पष्ट रही। सिग्नल बैकग्राउंड शोर से लगभग 28 गुना अधिक मजबूत था, जिससे एक स्पष्ट छवि सुनिश्चित हुई।

5. कठिन हिस्सा: कैमरों का सिंक्रोनाइज़ेशन

एक बड़ी बाधा थी। नए सिलिकॉन कैमरे निरंतर तस्वीरें लेने के लिए डिज़ाइन किए गए थे, जैसे एक सुरक्षा कैमरा जो कभी रुकता नहीं है (जिसे "फ्री-स्ट्रीमिंग" कहा जाता है)। हालाँकि, शेष E16 प्रयोग केवल तभी डेटा रिकॉर्ड करता है जब कोई विशिष्ट घटना होती है (एक "ट्रिगर")।

यदि वे केवल सिलिकॉन कैमरा चालू कर देते, तो यह इतना अधिक डेटा उत्पन्न करता (प्रति दिन लगभग 300 टेराबाइट!) कि कंप्यूटर क्रैश हो जाते। यह एक 24 घंटे के सुरक्षा वीडियो के हर फ्रेम को बचाने की कोशिश करने जैसा होगा जब आपको केवल उन 5 सेकंड की परवाह है जब कोई चोर प्रवेश करता है।

समाधान:
टीम ने एक स्मार्ट फ़िल्टर बनाया। उन्होंने सिलिकॉन कैमरे के आंतरिक क्लॉक को मुख्य प्रयोग के क्लॉक के साथ सिंक्रोनाइज़ किया। अब, सिलिकॉन कैमरा लगातार तस्वीरें लेता है, लेकिन कंप्यूटर केवल उन्हीं तस्वीरों को सुरक्षित (save) करता है जो उस सटीक क्षण से मेल खाती हैं जब "रेफरी" (अन्य डिटेक्टर) कहते हैं कि एक घटना हुई है। इसने महत्वपूर्ण जानकारी खोए बिना डेटा की मात्रा को एक प्रबंधनीय आकार में कम कर दिया।

निष्कर्ष

यह शोध पत्र पुष्टि करता है कि नया सिलिकॉन ट्रैकिंग सिस्टम बड़े मुकाबले के लिए तैयार है।

इसे सफलतापूर्वक बनाया और परीक्षण किया गया।
यह उच्च-गति वाली बीम को संभालने के लिए पर्याप्त तेज़ है।
यह कण टकराव के सूक्ष्म विवरणों को देखने के लिए पर्याप्त तीक्ष्ण है।
इसे प्रयोग के बाकी कंप्यूटर सिस्टम के साथ सफलतापूर्वक जोड़ा जा सकता है।

E16 प्रयोग के पास अब चरम दबाव के तहत पदार्थ के व्यवहार का अध्ययन करने के लिए एक शक्तिशाली नया उपकरण है, जो हमें ब्रह्मांड के मौलिक निर्माण खंडों को समझने के एक कदम और करीब ले जाता है।

तकनीकी सारांश: J-PARC के E16 प्रयोग का सिलिकॉन ट्रैकिंग सिस्टम

समस्या विवरण
J-PARC E16 प्रयोग का लक्ष्य डाइल इलेक्ट्रॉन क्षय चैनलों (dielectron decay channels) के माध्यम से वेक्टर मेसॉन के इन-मीडियम संशोधनों का अध्ययन करके चिरल समरूपता बहाली (chiral symmetry restoration) की जांच करना है। इस प्रयोग को उच्च-तीव्रता वाली 30 GeV प्रोटॉन बीम की आवश्यकता है, जो कार्बन और कॉपर लक्ष्यों के साथ 10 MHz तक की दरों पर परस्पर क्रिया करती है। पिछले KEK-PS E325 प्रयोग की तुलना में 100 गुना बड़ा सांख्यिकीय डेटासेट प्राप्त करने के लिए, आंतरिकतम ट्रैकिंग डिटेक्टर को संपूर्ण मोमेंटम कवरेज में 95% डिटेक्शन दक्षता बनाए रखनी होगी। इसके अलावा, लगभग 5 MeV/c² के द्रव्यमान रिज़ॉल्यूशन लक्ष्य को पूरा करने के लिए, सिस्टम को 25 µm का स्थिति रिज़ॉल्यूशन (position resolution) और 6 ns का समय रिज़ॉल्यूशन (time resolution) चाहिए।

प्रारंभ में तैनात किए गए सिलिकॉन स्ट्रिप डिटेक्टर (SSD) मॉड्यूल असंतोषजनक सिद्ध हुए क्योंकि उनके बड़े, मोटे फ्रेम बीम में हस्तक्षेप कर रहे थे और आवश्यक प्रदर्शन विशिष्टताओं को पूरा करने में विफल रहे। फलस्वरूप, एक हल्के विन्यास, उच्च-दर क्षमता, सूक्ष्म विभाजन (fine segmentation) और डबल-साइडेड रीडआउट के साथ एक प्रतिस्थापन प्रणाली की आवश्यकता थी।

कार्यप्रणाली
इन आवश्यकताओं को संबोधित करने के लिए, E16 प्रयोग ने FAIR में कम्प्रेस्ड बैरियोनिक मैटर (CBM) प्रयोग के लिए विकसित सिलिकॉन ट्रैकिंग सिस्टम (STS) तकनीक को अपनाया। कार्यप्रणाली में निम्नलिखित चरण शामिल थे:

मॉड्यूल उत्पादन और लक्षण वर्णन: पंद्रह प्री-सीरीज STS मॉड्यूल GSI डिटेक्टर प्रयोगशाला में असेंबल किए गए। प्रत्येक मॉड्यूल में एक 320 µm मोटा डबल-साइडेड, डबल-मेटल (DSDM) सिलिकॉन माइक्रोस्ट्रिप सेंसर (प्रति पक्ष 1024 स्ट्रिप्स, 58 µm पिच) शामिल है, जो माइक्रोकेबल्स और फ्रंट-एंड बोर्ड्स (FEBs) के माध्यम से कस्टम STS/MUCH-XYTER (SMX) ASICs से जुड़ा है।
परीक्षण प्रोटोकॉल: एक कठोर लक्षण वर्णन प्रोटोकॉल लागू किया गया, जिसमें शामिल हैं:
- विद्युत परीक्षण: डिप्लेशन वोल्टेज और लीकेज करंट निर्धारित करने के लिए करंट-वोल्टेज (IV) स्कैन।
- इलेक्ट्रॉनिक अंशांकन (Calibration): 16 SMX ASICs प्रति मॉड्यूल के लिए डिस्क्रिमिनेटर थ्रेशोल्ड और गेन को समायोजित करने के लिए एनालॉग फ्रंट एंड (AFE) का अंशांकन, ताकि रैखिकता और एकरूपता सुनिश्चित हो सके।
- शोर मापन (Noise Measurement): थ्रेशोल्ड स्कैन के माध्यम से इक्विवेलेंट नॉइज़ चार्ज (ENC) का निर्धारण।
- स्रोत प्रतिक्रिया: सिग्नल पुनर्निर्माण और क्लस्टर निर्माण को मान्य करने के लिए एक कोलिमेटेड $^{90}Sr/Y$ $\beta$ -सोर्स के साथ विकिरण।
बीम टेस्ट कमीशनिंग: नवंबर 2023 में, कार्बन-फाइबर लैडर्स पर लगे दस सेंसरों वाला E16-STS चैंबर, KEK PF-AR बीमलाइन में स्थापित किया गया। सेटअप को 3 GeV/c इलेक्ट्रॉन बीम के संपर्क में लाया गया। तीन मॉड्यूल्स को दो विन्यासों में संचालित किया गया: बदलते बीम घटना कोणों (0°, 16°, 39°) और कणों के प्रक्षेपवक्र (trajectories) को ट्रैक करने के लिए तीन मॉड्यूल्स का समवर्ती संचालन।
डेटा अधिग्रहण एकीकरण: STS एक फ्री-स्ट्रीमिंग, सेल्फ-ट्रिगरिंग मोड में संचालित होता है। इसे E16 के बाहरी रूप से ट्रिगर किए गए सिस्टम (जो 10 MHz इंटरैक्शन दर को ~1 kHz तक कम करता है) के साथ इंटरफेस करने के लिए, GERI बोर्ड स्तर पर एक ऑनलाइन ट्रिगर चयन रणनीति लागू की गई। इसमें STS हिट्स को E16 ट्रिगर सिग्नल्स के साथ सह-संबंधित करने के लिए सटीक समय सिंक्रनाइज़ेशन (आवृत्ति, चरण और टाइमस्टैम्प संरेखण) शामिल था, जिससे डेटा को प्रबंधनीय मात्रा में फ़िल्टर किया जा सके।

प्रमुख योगदान

सिस्टम एकीकरण: E16 प्रायोगिक वातावरण के लिए CBM-STS तकनीक का सफल अनुकूलन, जिसने लेगेसी SSD मॉड्यूल्स को एक हल्के, उच्च-दर सक्षम सिस्टम से बदल दिया।
लक्षण वर्णन ढांचा: STS मॉड्यूल्स के लिए एक मानकीकृत परीक्षण और अंशांकन प्रोटोकॉल की स्थापना, जिसमें IV लक्षण वर्णन, ASIC अंशांकन और शोर विश्लेषण शामिल है, जिसे अब CBM सीरीज उत्पादन पर भी लागू किया जा रहा है।
ट्रिगरलेस-टू-ट्रिगरड कपलिंग: टाइमस्टैम्प सहसंबंध और ऑनलाइन इवेंट चयन का उपयोग करके एक फ्री-स्ट्रीमिंग, सेल्फ-ट्रिगरिंग डिटेक्टर सिस्टम को बाहरी रूप से ट्रिगर किए गए DAQ वातावरण के साथ जोड़ने की विधि का प्रदर्शन।

परिणाम

मॉड्यूल प्रदर्शन: सभी 15 मॉड्यूल्स ने उत्पादन लक्ष्यों को पूरा किया। डिप्लेशन वोल्टेज लगभग 60 V पर प्राप्त हुआ, और 150 V तक स्थिर संचालन देखा गया। अंशांकन परिणामों ने ~1% का गेन स्प्रेड और ~2% का थ्रेशोल्ड स्प्रेड दिखाया। शोर स्तर (ENC) विश्लेषणात्मक मॉडलों के अनुरूप थे, जो दोनों पक्षों और चैनल प्रकार के आधार पर औसतन 700–960 e के बीच थे।
सिग्नल आयाम: सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात (S/N) n-साइड के लिए 27.9 और p-साइड के लिए 28.5 प्राप्त किया गया। चार्ज वितरण का मोस्ट प्रोबेबल वैल्यू (MPV) क्रमशः n-side के लिए लगभग 22 ke और p-side के लिए 19.8 ke था।
समय रिज़ॉल्यूशन: सिस्टम ने 10 ADC से ऊपर के सिग्नल आयामों के लिए 3.2 ns का समय रिज़ॉल्यूशन प्राप्त किया, जो ASIC विशिष्टताओं के अनुरूप है। कम आयाम वाले सिग्नल्स के लिए 'टाइम वॉक' प्रभावों को देखा गया और अंशांकन में शामिल किया गया।
स्थिति रिज़ॉल्यूशन: तीन-मॉड्यूल विन्यास का उपयोग करते हुए, आंतरिक स्थानिक रिज़ॉल्यूशन X-दिशा में (42 ± 2) µm और Y-दिशा में (70 ± 4) µm निर्धारित किया गया। हालांकि ये मान बड़े झुकाव कोणों और चार्ज शेयरिंग से प्रभावित होते हैं, फिर भी ये डिज़ाइन आवश्यकताओं के अनुरूप हैं और सटीक ट्रैकिंग के लिए सिस्टम की क्षमता को प्रदर्शित करते हैं।
परिचालन स्थिरता: बीम टेस्ट के दौरान सिस्टम सफलतापूर्वक फ्री-स्ट्रीमिंग मोड में संचालित हुआ, और ऑनलाइन ट्रिगर चयन रणनीति ने प्रासंगिक घटनाओं को सुरक्षित रखते हुए डेटा वॉल्यूम को प्रभावी ढंग से कम किया।

महत्व
यह शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि अपग्रेड किया गया E16-STS सफलतापूर्वक E16 प्रयोग के कड़े प्रदर्शन आवश्यकताओं को पूरा करता है। सिस्टम उच्च कण प्रवाह की स्थिति में भी उच्च रिज़ॉल्यूशन और दक्षता के साथ आवश्यक स्पेस-पॉइंट निर्धारण प्रदान करता है। फ्री-स्ट्रीमिंग STS का ट्रिगर किए गए E16 सेटअप के साथ सफल एकीकरण यह पुष्टि करता है कि डेटा गुणवत्ता से समझौता किए बिना उच्च-दर, बाहरी रूप से ट्रिगर किए गए वातावरण में सेल्फ-ट्रिगरिंग डिटेक्टर्स का उपयोग करना व्यवहार्य है। ये परिणाम चिरल समरूपता बहाली के संकेतों की खोज में E16 प्रयोग की ट्रैकिंग क्षमताओं को बढ़ाने के लिए STS तकनीक की वैधता को सिद्ध करते हैं।