Low-energy Muon-Nucleon scattering experiment: LUNE (White Paper)

प्रोटॉन, जो प्रत्येक परमाणु का छोटा, धनावेशित केंद्र है, कोई ठोस, अपरिवर्तनीय संगमरमर नहीं है। यह क्वार्क्स नामक और भी छोटे कणों से बना एक हलचल भरा, गतिशील तंत्र है, जो एक ऐसे बल द्वारा जुड़ा हुआ है जो इतना शक्तिशाली है कि इसे 'स्ट्रॉन्ग इंटरैक्शन' (strong interaction) कहा जाता है। दशकों से, वैज्ञानिक प्रोटॉन के सटीक आकार को मापने का प्रयास कर रहे हैं, विशेष रूप से इसके विद्युत आवेश त्रिज्या (electric charge radius) को, जो यह बताता है कि इसका विद्युत आवेश अंतरिक्ष में कितनी दूर तक फैला हुआ है। यह माप अत्यंत महत्वपूर्ण है क्योंकि यह इस बात को समझने के लिए एक मौलिक पैमाने के रूप में कार्य करता है कि पदार्थ कैसे निर्मित होता है। हालाँकि, एक महत्वपूर्ण रहस्य उभर कर आया है: जब वैज्ञानिक इलेक्ट्रॉन का उपयोग करके प्रोटॉन के आकार को मापते हैं, तो उन्हें एक उत्तर मिलता है, लेकिन जब वे म्यूऑन (muon)—जो इलेक्ट्रॉन का एक भारी संबंधी है—का उपयोग करते हैं, तो उन्हें थोड़ा अलग, छोटा उत्तर मिलता है। यह विसंगति, जिसे "प्रोटॉन रेडियस पज़ल" (proton radius puzzle) कहा जाता है, यह सुझाव देती है कि भौतिकी के हमारे वर्तमान नियमों की समझ अधूरी हो सकती है, या उन सूक्ष्म प्रभावों के कारण ऐसा है जिनसे ये कण परस्पर क्रिया करते हैं और जिन्हें हमने अभी तक ध्यान में नहीं रखा है।

इस पहेली को सुलझाने और पदार्थ की गहरी संरचना का पता लगाने के लिए, 'ल्यून' (LUNE) नामक एक नए अंतर्राष्ट्रीय सहयोग ने चीन में 'हाई-इंटेंसिटी हेवी-आयन एक्सेलेरेटर फैसिलिटी' (HIAF) में एक समर्पित प्रयोग का प्रस्ताव दिया है। यह सुविधा म्यूऑन बीमों की ऊर्जाओं की एक विस्तृत श्रृंखला उत्पन्न करने की क्षमता के साथ बनाई गई है, जो दुनिया में अद्वितीय है। ल्यून टीम ने हाइड्रोजन और अन्य परमाणु नाभिकों पर म्यूऑन बीमों की बमबारी करने और उनके प्रकीर्णन (scatter) को देखने के लिए एक व्यापक योजना तैयार की है। ऐसा करके, उनका लक्ष्य अभूतपूर्व सटीकता के साथ प्रोटॉन के आकार को मापना, विभिन्न स्थितियों के तहत प्रोटॉन की आंतरिक संरचना में होने वाले परिवर्तनों की जांच करना और भौतिकी की हमारी वर्तमान समझ से परे मौजूद पूरी तरह से नए कणों की खोज करना है।

ल्यून प्रस्ताव का केंद्र एक दो-चरणीय योजना है जो एक्सेलेरेटर के विकसित होने के साथ मेल खाती है। पहला चरण सबसे तात्कालिक और महत्वपूर्ण प्रश्न पर ध्यान केंद्रित करता है: प्रोटॉन का आकार। शोधकर्ता पॉलीथीन से बने लक्ष्य (target) पर म्यूऑन की एक बीम दागने की योजना बना रहे हैं, जो हाइड्रोजन परमाणुओं से भरपूर एक प्लास्टिक है। जैसे ही म्यूऑन हाइड्रोजन के भीतर प्रोटॉन से टकराएंगे, वे विभिन्न कोणों पर उछलेंगे। बिखरे हुए म्यूऑन के कोण और ऊर्जा को अत्यधिक सटीकता के साथ मापकर, वैज्ञानिक प्रोटॉन की आवेश त्रिज्या की गणना कर सकते हैं। शोध पत्र सुझाव देता है कि HIAF बीम की उच्च तीव्रता और एक विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए डिटेक्टर के साथ, ल्यून प्रोटॉन की त्रिज्या को लगभग एक प्रतिशत की सटीकता के साथ निर्धारित कर सकता है। यह स्तर की सटीकता महत्वपूर्ण है क्योंकि यह वैज्ञानिकों को यह देखने की अनुमति देगी कि इलेक्ट्रॉन-आधारित और म्यूऑन-आधारित मापों के बीच का अंतर वास्तविक है, या यह सूक्ष्म प्रयोगात्मक त्रुटियों या सैद्धांतिक चूक से उत्पन्न हुआ है।

ल्यून प्रयोग की एक प्रमुख विशेषता सकारात्मक और नकारात्मक म्यूऑन दोनों का उपयोग करने की इसकी क्षमता है। जबकि इलेक्ट्रॉन हमेशा ऋणावेशित होते हैं, म्यूऑन दो प्रकार के आते हैं, ठीक वैसे ही जैसे बैटरी के सकारात्मक और नकारात्मक आवेश होते हैं। यह द्वैत टीम को एक विशिष्ट क्वांटम प्रभाव का अध्ययन करने की अनुमति देता है जिसे 'टू-फोटॉन एक्सचेंज' (two-photon exchange) कहा जाता है। कण प्रकीर्णन के मानक दृश्य में, म्यूऑन और प्रोटॉन के बीच प्रकाश का एक कण, या फोटॉन, साझा किया जाता है। हालाँकि, वास्तव में, दो फोटॉन एक साथ साझा किए जा सकते हैं। यह प्रभाव बहुत छोटा है लेकिन उच्च सटीकता के साथ मापते समय महत्वपूर्ण हो जाता है। चूंकि सकारात्मक और नकारात्मक म्यूऑन इन टू-फोटॉन एक्सचेंजों के साथ अलग-अलग तरह से परस्पर क्रिया करते हैं, इसलिए दोनों बीमों के परिणामों की तुलना करके वैज्ञानिक इस प्रभाव को अलग कर सकते हैं। यह केवल इलेक्ट्रॉन बीम के साथ नहीं किया जा सकता है, क्योंकि इलेक्ट्रॉन केवल एक ही आवेश के होते हैं। इन अंतरों को सावधानीपूर्वक मापकर, प्रयोग का लक्ष्य विद्युत चुम्बकीय बल की हमारी समझ को परिष्कृत करना और यह सुनिश्चित करना है कि प्रोटॉन के आकार का माप इन जटिल अंतःक्रियाओं के कारण पक्षपाती न हो।

प्रोटॉन के अलावा, प्रयोग अन्य हल्के परमाणु नाभिकों, जैसे कि ड्यूटेरियम (deuterium) का भी अध्ययन करेगा, जो एक प्रोटॉन और एक न्यूट्रॉन से मिलकर बना है। जिस तरह प्रोटॉन के साथ एक पहेली है, उसी तरह ड्यूटेरियम के आकार के मापों में भी समान विसंगतियां हैं। ल्यून ड्यूटेरियम लक्ष्यों पर म्यूऑन बीमों को बिखेरने की योजना बना रहा है, जिससे इन मापों पर एक स्वतंत्र जाँच मिल सकेगी। टीम भारी नाभिकों, जैसे कार्बन या लेड (सीसा), के साथ म्यूऑन की परस्पर क्रिया का अध्ययन करने का भी इरादा रखती है। ये अंतःक्रियाएं भारी नाभिकों के मजबूत विद्युत क्षेत्रों द्वारा जटिल होती हैं, जो लक्ष्य कण से टकराने से पहले ही आने वाले म्यूऑन के पथ को मोड़ सकते हैं। सकारात्मक और नकारात्मक म्यूऑन को इन क्षेत्रों द्वारा विक्षेपित किए जाने के तरीके की तुलना करके, शोधकर्ता इन विकृतियों को बेहतर ढंग से समझने और उन्हें ठीक करने की आशा करते हैं, जिससे परमाणु संरचना के अधिक सटीक माप प्राप्त हो सकें।

जैसे-जैसे सुविधा परिपक्व होती है, ल्यून कार्यक्रम का दूसरा चरण प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की त्रि-आयामी संरचना का पता लगाने के लिए अपने दायरे का विस्तार करेगा। जहाँ पहला चरण प्रोटॉन के आकार को मापने के लिए उसे एक संपूर्ण वस्तु के रूप में मानता है, वहीं दूसरा चरण उसके भीतर झाँकेगा, यह मानचित्रण करेगा कि क्वार्क्स और ग्लुऑन्स अंतरिक्ष में कैसे व्यवस्थित हैं और वे कैसे चलते हैं। इसमें उच्च-ऊर्जा वाले म्यूऑन को लक्ष्यों पर दागना और टकराव के मलबे को देखना शामिल है। जब एक उच्च ऊर्जा पर एक म्यूऑन प्रोटॉन से टकराता है, तो वह एक क्वार्क को बाहर निकाल सकता है, जिससे प्रोटॉन टूट जाता है और नए कणों का एक समूह उत्पन्न होता है। इन कणों को ट्रैक करके, वैज्ञानिक प्रोटॉन के आंतरिक परिदृश्य का पुनर्निर्माण कर सकते हैं, यह देख सकते हैं कि क्वार्क्स न केवल अपने संवेग (momentum) के संदर्भ में, बल्कि अपनी स्थिति के संदर्भ में भी कैसे वितरित हैं। यह प्रोटॉन के भीतर का एक विस्तृत मानचित्र बनाने के समान है, जो यह प्रकट करता है कि प्रोटॉन का स्पिन उसके घटक भागों के स्पिन और कक्षीय गतियों से कैसे बना है।

शोध पत्र यह भी रेखांकित करता है कि ल्यून में नई भौतिकी की खोज करने की क्षमता है। उच्च-तीव्रता वाली म्यूऑन बीम को भारी धातु लक्ष्यों की ओर निर्देशित किया जा सकता है ताकि उन काल्पनिक कणों की खोज की जा सके जो सामान्य पदार्थ के साथ बहुत कमजोर रूप से अंतःक्रिया करते हैं, जिन्हें अक्सर "डार्क सेक्टर" (dark sector) कण कहा जाता है। यदि ये कण मौजूद हैं, तो वे तब उत्पन्न हो सकते हैं जब एक म्यूऑन किसी नाभिक के साथ अंतःक्रिया करता है और फिर इलेक्ट्रॉनों या फोटॉनों के जोड़े में क्षय (decay) हो जाता है जिसे डिटेक्टर पकड़ सकता है। क्योंकि म्यूऑन बीम बहुत तीव्र है और डिटेक्टर बहुत संवेदनशील है, ल्यून उन मापदंडों (parameter space) के क्षेत्रों की जांच कर सकता है जो अन्य प्रयोगों के लिए अगम्य हैं, जो संभावित रूप से नए बलों या कणों को उजागर कर सकता है जो डार्क मैटर जैसी पहेलियों को समझा सकते हैं।

इन लक्ष्यों को प्राप्त करने के लिए, शोधकर्ताओं ने म्यूऑन प्रकीर्णन की विशिष्ट आवश्यकताओं के अनुरूप एक परिष्कृत डिटेक्टर प्रणाली डिजाइन की है। डिटेक्टर परतों में बनाया गया है, जिसकी शुरुआत उस लक्ष्य से होती है जहाँ टकराव होते हैं, उसके बाद ट्रैकिंग चैंबर्स की एक श्रृंखला आती है जो बाहर निकलने वाले प्रत्येक कण के पथ को रिकॉर्ड करती है। ये ट्रैकिंग चैंबर सिलिकॉन पिक्सल से बने होते हैं, जो अविश्वसनीय रूप से पतले और सटीक होते हैं, जिससे टीम बिखरे हुए म्यूऑन के कोण को एक हज़ारवें डिग्री से बेहतर रिज़ॉल्यूशन के साथ माप सकती है। इस सटीकता का महत्व इसलिए है क्योंकि प्रोटॉन का आकार इस बात से निर्धारित होता है कि बहुत छोटे कोणों पर प्रकीर्णन का कोण कैसे बदलता है। ट्रैकर्स के पीछे, डिटेक्टर में चुंबकीय क्षेत्र शामिल हैं जो आवेशित कणों के पथ को मोड़ने के लिए उपयोग किए जाते हैं, जिससे उनका संवेग (momentum) निकाला जा सके, और कैलोरीमीटर (calorimeters) शामिल हैं जो कणों की ऊर्जा को मापते हैं। इसका डिज़ाइन मॉड्यूलर है, जिसका अर्थ है कि इसे एक्सेलेरेटर में सुधार के साथ अपग्रेड किया जा सकता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि प्रयोग वर्षों तक भौतिकी के शिखर पर बना रहे।

लेखक इस बात पर जोर देते हैं कि उनका प्रस्तावित डिटेक्टर उन तकनीकों पर आधारित है जो पहले से ही अन्य प्रयोगों में सिद्ध हो चुकी हैं, जो विफलता के जोखिम को कम करती हैं और लागत को प्रबंधनीय रखती हैं। उन्होंने अपने डिज़ाइन का परीक्षण करने के लिए व्यापक कंप्यूटर सिमुलेशन चलाए हैं, और परिणाम दिखाते हैं कि डिटेक्टर को प्रोटॉन त्रिज्या के लिए एक प्रतिशत सटीकता के लक्ष्य को प्राप्त करने के लिए बिल्कुल आवश्यक प्रदर्शन करना चाहिए। ये सिमुलेशन यह भी अनुमान लगाते हैं कि प्रयोग पर्याप्त डेटा एकत्र करने में सक्षम होगा जिससे प्रोटॉन के फॉर्म फैक्टर्स (form factors), टू-फोटॉन एक्सचेंज प्रभावों और हल्के नाभिकों की संरचना के सांख्यिकीय रूप से महत्वपूर्ण माप किए जा सकें। टीम को विश्वास है कि HIAF में उपलब्ध उच्च-गुणवत्ता वाली म्यूऑन बीम के साथ, वे प्रोटॉन त्रिज्या पहेली का निर्णायक उत्तर दे सकते हैं और पदार्थ की मौलिक प्रकृति के नए द्वार खोल सकते हैं।

संक्षेप में, ल्यून व्हाइट पेपर म्यूऑन-प्रकीर्णन भौतिकी के एक नए युग के लिए एक स्पष्ट और महत्वाकांक्षी रोडमैप प्रस्तुत करता है। यह प्रोटॉन के आकार को अभूतपूर्व सटीकता के साथ मापने के लिए उच्च-तीव्रता वाली म्यूऑन बीम और एक सटीक डिटेक्टर के अनूठे संयोजन का प्रस्ताव करता है। सकारात्मक और नकारात्मक म्यूऑन की तुलना करके, प्रयोग उन सूक्ष्म क्वांटम प्रभावों को अलग करेगा जो लंबे समय से अनिश्चितता का स्रोत रहे हैं। जैसे-जैसे यह परियोजना प्रोटॉन के आकार को मापने के पहले चरण से प्रोटॉन की आंतरिक संरचना के मानचित्रण के दूसरे चरण की ओर बढ़ती है, यह ब्रह्मांड के निर्माण को सूक्ष्मतम स्तर से समझने की गहराई को बढ़ाने का वादा करती है। यह कार्य परमाणु भौतिकी, कण भौतिकी और एक्सेलेरेटर तकनीक का संगम है, जो हमारे वर्तमान सिद्धांतों की सीमाओं का परीक्षण करने और संभावित रूप से उन नई घटनाओं की खोज करने का एक अनूठा अवसर प्रदान करता है जो हमारी पहुँच से बस थोड़ी दूर हैं।