Single-Shot High-Energy Muon and Particle Radiography with a Multi-GeV Laser-Wakefield-Accelerator-Driven Source
यह शोध पत्र म्यूऑन, पायोन और न्यूट्रॉन की एक मल्टी-जीईवी लेजर-वेकफील्ड-एक्सेलेरेटेड बीम का उपयोग करके सिंगल-शॉट उच्च-ऊर्जा रेडियोग्राफी के पहले प्रदर्शन की रिपोर्ट करता है, जिसने घने कवच के माध्यम से वस्तुओं की सफलतापूर्वक इमेजिंग की और स्रोत की म्यूऑन-प्रधान, अत्यधिक प्रवेश करने वाली प्रकृति की पुष्टि की।
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 आपके पास एक टॉर्च है, लेकिन रोशनी के बजाय, यह सूक्ष्म, अदृश्य कणों की एक सुपर-फास्ट, भूतिया किरण छोड़ती है जिन्हें म्यूऑन (muons) कहा जाता है। ये म्यूऑन कणों की दुनिया के परम "भूतों" की तरह हैं: वे भारी, अस्थिर और उन दीवारों के आर-पार जाने में अविश्वसनीय रूप से कुशल हैं जो लगभग किसी भी चीज़ को रोक देती हैं।
दशकों से, वैज्ञानिकों ने इन भूतिया कणों का उपयोग उन चीजों की तस्वीरें लेने के लिए करने की कोशिश की है जिन्हें हम अंदर से नहीं देख सकते—जैसे कि प्राचीन पिरामिडों के छिपे हुए कक्ष या परमाणु रिएक्टर की ईंधन छड़ें। लेकिन एक बहुत बड़ी समस्या थी: हमें केवल वही म्यूऑन मिल पाते थे जो अंतरिक्ष से गिर रहे थे (कॉस्मिक किरणें)। वे एक धीमी, स्थिर बूंदाबांदी की तरह थे। एक स्पष्ट तस्वीर पाने के लिए, आपको दिनों या महीनों तक इंतजार करना पड़ता था, ताकि वह बूंदाबांदी इतनी जमा हो सके कि एक छवि बन सके। यह एक बाल्टी भरने की कोशिश करने जैसा था जिसमें हर कुछ मिनटों में एक-एक बूंद गिर रही हो।
बड़ी सफलता
इस नए अध्ययन में, कोलोराडो स्टेट यूनिवर्सिटी और अन्य प्रयोगशालाओं के वैज्ञानिकों की एक टीम ने केवल बारिश का इंतजार करने के बजाय एक "फायरहोस" (तेज धार वाला पाइप) बनाने का फैसला किया। उन्होंने एक अत्यधिक शक्तिशाली लेजर का उपयोग करके एक "वेकफील्ड" (wakefield) एक्सेलेरेटर बनाया। इसे एक सर्फर द्वारा एक विशाल लहर पकड़ने जैसा समझें; लेजर एक गैस में एक लहर बनाता है जो इलेक्ट्रॉनों को अविश्वसनीय गति तक उछाल देती है—10 बिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट (10 GeV) तक।
जब ये सुपर-फास्ट इलेक्ट्रॉन टंगस्टन (tungsten) के एक ब्लॉक से टकराते हैं, तो वे परमाणुओं से टकराकर नए कणों का एक अराजक, उच्च-ऊर्जा विस्फोट करते हैं। इस विस्फोट में म्यूऑन, पायोन (pions) और न्यूट्रॉन शामिल हैं। टीम ने उन्हें केवल बनाया ही नहीं; उन्होंने यह भी साबित किया कि वे वहां मौजूद थे। उन्होंने एक विशाल प्लास्टिक डिटेक्टर में म्यूऑन को पकड़ा और उन्हें ठीक वैसे ही "मरते" (क्षय होते) हुए देखा जैसे प्रकृति उन्हें कहती है, जिसका जीवनकाल लगभग 2.197 माइक्रोसेकंड है। इसने पुष्टि की कि वे वास्तव में असली म्यूऑन ही थे।
"दीवार के पार" परीक्षण
यह देखने के लिए कि क्या यह नया लेजर-निर्मित बीम वास्तव में एक तस्वीर ले सकता है, उन्होंने एक पागलपन भरा चैलेंज सेट किया। उन्होंने अपना डिटेक्टर लेजर से 15 मीटर दूर खड़ी एक ट्रक के अंदर रखा। लेकिन असली पेच यह है कि लेजर और ट्रक के बीच, बीम को इनके माध्यम से गुजरना था:
- एक विशाल लेड (सीसा) और प्लास्टिक शील्ड (जो खतरनाक चीजों को रोकने के लिए है)।
- लैब के अंदर की दो दीवारें।
- इमारत की बाहरी दीवार।
- खुद ट्रक की दीवार।
यह एक किले के माध्यम से छाया को देखने की कोशिश करने जैसा था।
उन्होंने दो डिटेक्टरों के सामने एक परीक्षण वस्तु रखी: 60 सेमी लेड (सीसा) और 15 सेमी हाई-डेंसिटी पॉलीइथाइलीन (HDPE) से बना एक ब्लॉक। यह बहुत सारा भारी सामान है।
परिणाम: एक सिंगल शॉट
जब उन्होंने लेजर चलाया, तो कुछ अद्भुत हुआ। केवल एक सिंगल शॉट में, डिटेक्टरों ने भारी ब्लॉक वाली जगह पर एक स्पष्ट "छाया" देखी। जिन डिटेक्टरों के ऊपर लेड का ब्लॉक था, उन्होंने बहुत कमजोर सिग्नल देखा, जबकि उनके बगल वाले डिटेक्टरों ने एक मजबूत सिग्नल देखा।
पेपर बताता है कि हालांकि बीम कई कणों के मिश्रण के रूप में शुरू हुई थी, लेकिन जब तक वह 15 मीटर की यात्रा पूरी कर लेती है और सभी सुरक्षा कवच से गुजर जाती है, तब तक कमजोर कण (जैसे न्यूट्रॉन और पायोन) ज्यादातर रुक जाते हैं या अवशोषित हो जाते हैं। जीवित बचे कण लगभग पूरी तरह से सुपर-पेनिट्रेटिंग म्यूऑन थे।
यह खेल को कैसे बदल देता है
लेखक गणना करते हैं कि केवल एक सिंगल लेजर शॉट में वस्तु से टकराने वाले म्यूऑन की संख्या, प्राकृतिक कॉस्मिक किरणों के लिए उतना ही काम करने के लिए 8 घंटे से अधिक प्रतीक्षा करने के बराबर है।
इसका मतलब यह नहीं है कि उनके पास कल ही स्टोर के लिए एक परफेक्ट, कमर्शियल एक्स-रे मशीन तैयार है। पेपर सावधानी से कहता है कि यह एक "प्रूफ-ऑफ-प्रिंसिपल" प्रदर्शन है। उन्होंने दिखाया कि यह काम करता है एक सिंगल शॉट में। उन्होंने कणों की यात्रा का अनुकरण (सिमुलेशन) किया ताकि यह दिखाया जा सके कि वस्तु तक पहुँचने वाले उच्च-ऊर्जा वाले कण लगभग 100% म्यूऑन थे।
भविष्य के लिए इसका क्या अर्थ है
पेपर सुझाव देता है कि यदि हम इन लेजर एक्सेलेरेटर्स को बेहतर बनाना जारी रख सकते हैं—उन्हें और तेज और अधिक बार चलाना—तो हम अंततः ऐसे पोर्टेबल उपकरण बना सकते हैं जो एक सेकंड के अंश में घनी संरचनाओं (जैसे शिपिंग कंटेनर या ज्वालामुखी के आंतरिक भाग) को स्कैन कर सकें। कॉस्मिक-रे इमेज के लिए महीनों इंतजार करने के बजाय, हम एक पलक झपकते ही एक स्पष्ट तस्वीर प्राप्त कर सकते हैं।
फिलहाल, टीम ने साबित कर दिया है कि एक लेजर एक ऐसा "म्यूऑन फायरहोस" बना सकता है जो एक बिल्डिंग और एक ट्रक को भेदकर एक सिंगल शॉट में तस्वीर लेने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली है। यह बारिश की बूंदों का इंतजार करने से लेकर एक फायरहोस चालू करने तक का एक बड़ा कदम है।
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