The detector system of the SHiP/NA67 experiment at CERN

आधुनिक भौतिकी के विशाल परिदृश्य में, वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि कण भौतिकी का मानक मॉडल (स्टैंडर्ड मॉडल), हालांकि अविश्वसनीय रूप से सफल है, अधूरा है। यह इस बात की व्याख्या नहीं कर सकता कि ब्रह्मांड पदार्थ (मैटर) से बना है न कि प्रतिपदार्थ (एंटीमैटर) से, और न ही यह अदृश्य पदार्थ के रूप में ज्ञात डार्क मैटर की व्याख्या करता है। दशकों से, नई भौतिकी को खोजने की प्राथमिक रणनीति ऐसी मशीनें बनाने की रही है जो कणों को उच्च और उच्च ऊर्जा पर आपस में टकराती हैं, इस उम्मीद में कि भारी, अज्ञात कणों को बनाया जा सके। हालांकि, एक अन्य संभावना भी है जो अब तक मायावी रही है: ऐसे कण जो हल्के हैं लेकिन साधारण पदार्थ के साथ इतनी कम अंतःक्रिया करते हैं कि वे हमारे डिटेक्टरों से सीधे निकल जाते हैं। इन्हें 'फीबली इंटरैक्टिंग' (दुर्बल रूप से अंतःक्रिया करने वाले) कण कहा जाता है। क्योंकि उन्हें पकड़ना बहुत कठिन है, इसलिए उन्हें खोजने के लिए एक अलग दृष्टिकोण की आवश्यकता होती है। दुर्लभ, उच्च-ऊर्जा टकरावों की तलाश करने के बजाय, वैज्ञानिकों को कणों की एक विशाल संख्या उत्पन्न करनी होगी और फिर उन दुर्लभ कणों के दृश्यमान चीज़ों में क्षय (डिके) होने की प्रतीक्षा करनी होगी। भारी की खोज से लेकर धुंधले की खोज की ओर यह बदलाव 'इंटेंसिटी फ्रंटियर' का मूल है, जो एक नया दिशा है जो बल के बजाय आयतन और सटीकता पर निर्भर करता है।

स्विट्जरलैंड में सीर्न (CERN) अनुसंधान केंद्र में, भौतिकविदों की एक टीम SHiP, जिसे NA67 के रूप में भी जाना जाता है, नामक एक प्रयोग के साथ इस अभियान का नेतृत्व करने की तैयारी कर रही है। इसका लक्ष्य एक विशेष सुविधा बनाने में सक्षम होना है जो प्रोटॉन की एक विशाल धारा उत्पन्न कर सके और उनका उपयोग एक छिपे हुए क्षेत्र (हिडन सेक्टर) के कणों को बनाने के लिए कर सके जो ब्रह्मांड के गहरे रहस्यों की व्याख्या कर सकते हैं। टीम ने हाल ही में उस डिटेक्टर प्रणाली के डिजाइन का विवरण दिया है जो इस खोज को संभव बनाएगी। यह प्रणाली एक एकल मशीन नहीं है बल्कि विभिन्न उपकरणों का एक जटिल संयोजन है, जिसमें से प्रत्येक को एक विशिष्ट समस्या को हल करने के लिए इंजीनियर किया गया है: कैसे एक स्वच्छ वातावरण बनाया जाए जहाँ अत्यधिक शोर के बीच एक धुंधले संकेत को देखा जा सके। प्रयोग के पहले भौतिक रन 2032 में शुरू होने निर्धारित हैं, और पेपर में प्रस्तुत डिजाइन वर्षों की योजना का परिणाम है ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि जब बीम चालू हो, तो डिटेक्टर नई भौतिकी के पहले संकेतों को पकड़ने के लिए तैयार हों।

प्रयोग एक प्रोटॉन बीम के साथ शुरू होता है जो उच्च गति से यात्रा करता है, जिसे शुद्ध टंगस्टन से बने लक्ष्य (टारगेट) में छोड़ा जाता है। यह लक्ष्य जितना संभव हो सके उतना कुशल होने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जो प्रोटॉन के टकराने पर नए कणों की बौछार पैदा करता है। इस प्रक्रिया से उत्पन्न तीव्र गर्मी को संभालने के लिए, लक्ष्य को उच्च दबाव वाली हीलियम गैस द्वारा ठंडा किया जाता है जो धातु के ब्लॉकों में स्लॉट्स के माध्यम से संचार करती है। लक्ष्य के ठीक पीछे एक शक्तिशाली चुंबकीय ढाल (मैग्नेटिक शील्ड) स्थित है, जो चुंबकों की एक श्रृंखला है जो एक विशाल फिल्टर की तरह कार्य करती है। इसका काम इलेक्ट्रॉन के भारी चचेरे भाइयों, म्यूऑन (muons) की विशाल संख्या को हटाना है, जो टकराव के दौरान उत्पन्न होते हैं। इस ढाल के बिना, ये म्यूऑन पूरे प्रयोग में भर जाएंगे, जिससे एक ऐसा बैकग्राउंड (पृष्ठभूमि) बन जाएगा जो इतना शोर भरा होगा कि कोई भी नया संकेत उसमें दब जाएगा। ढाल म्यूऑन की संख्या को दस लाख के कारक से कम कर देती है, जिससे उन कणों के लिए एक बहुत ही शांत पथ बच जाता है जिनमें वैज्ञानिकों की वास्तव में रुचि है।

एक बार जब म्यूऑन को फ़िल्टर कर दिया जाता है, तो शेष कण हीलियम गैस से भरे एक लंबे, खाली टनल में प्रवेश करते हैं। यह 'डिके वॉल्यूम' (क्षय आयतन) है, पचास मीटर लंबा स्थान जहाँ दुर्बल रूप से अंतःक्रिया करने वाले कणों के होने की उम्मीद है, जो यात्रा करेंगे और अंततः साधारण पदार्थ में क्षय होंगे जिसे पहचाना जा सकता है। चूंकि कण बहुत कम अंतःक्रिया करते हैं, वे बिना किसी चीज़ से टकराए इस पूरी दूरी की यात्रा कर सकते हैं। हीलियम को एक पतले पॉलीमर गुब्बारे के अंदर रखा जाता है ताकि कणों के क्षय होने से पहले गैस के परमाणुओं से टकराने की किसी भी संभावना को न्यूनतम किया जा सके। इस पूरे टनल के चारों ओर सेंसर की एक परिष्कृत दीवार है जिसे 'बैकग्राउंड टैगर' कहा जाता है। यह दीवार एक विशेष तरल पदार्थ से भरी है जो एक आवेशित कण के गुजरने पर चमकता है। इसका उद्देश्य किसी भी भटकते हुए कण को पकड़ना है जो किनारों से घुस सकता है या टनल की दीवारों के साथ अंतःक्रिया कर सकता है। यदि टनल के केंद्र में ठीक उसी समय एक सिग्नल दिखाई देता है जब कोई कण दीवार से टकराता है, तो सिस्टम जान जाता है कि यह केवल बैकग्राउंड शोर है और इसे अनदेखा कर देता है। यह प्रणाली इतनी सटीक है कि यह एक अरबवें सेकंड की समय सटीकता के साथ एक वास्तविक घटना और एक नकली घटना के बीच अंतर कर सकती है।

टनल के अंत में, प्रयोग किसी भी क्षय के मलबे की तलाश करता है जो इसके भीतर हुआ हो। यहीं पर 'हिडन सेक्टर स्पेक्ट्रोमीटर' आता है। यह हजारों पतली, स्ट्रॉ जैसी नलियों से बना एक बड़ा ट्रैकिंग सिस्टम है जो गैस से भरी होती हैं। जैसे ही आवेशित कण इन स्ट्रॉ से गुजरते हैं, वे विद्युत संकेतों की एक लकीर छोड़ते हैं जो वैज्ञानिकों को अत्यधिक सटीकता के साथ कण के पथ का पुनर्निर्माण करने की अनुमति देते हैं। एक बड़ा चुंबक इन पथों को मोड़ता है, जो वैज्ञानिकों को कणों के संवेग (मोमेंटम) और पहचान को निर्धारित करने में मदद करता है। ट्रैकर के बाद एक 'टाइमिंग डिटेक्टर' है जो स्किंटिलेटिंग बार्स से बना है, जो एक स्टॉपवॉच की तरह कार्य करता है ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि देखे जा रहे कण वास्तव में क्षय आयतन से आए हैं न कि किसी अन्य स्रोत से। अंत में, कण एक कैलोरीमीटर में प्रवेश करते हैं, जो उनकी ऊर्जा को मापता है और पहचान करता है कि वे किस प्रकार के कण हैं। यह अंतिम खंड विभिन्न प्रकार के क्षयों के बीच अंतर करने के लिए महत्वपूर्ण है, जैसे कि वे जो हल्के कणों का उत्पादन करते हैं बनाम वे जो भारी कणों का उत्पादन करते हैं।

पूरी प्रणाली को बिना किसी पारंपरिक 'ट्रिगर' के संचालित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जिसका अर्थ है कि यह डेटा को लगातार रिकॉर्ड करती है बजाय इसके कि किसी विशिष्ट सिग्नल के शुरू होने का इंतजार करे। यह आवश्यक है क्योंकि प्रयोग लंबे समय तक चलता है, और दिलचस्प घटनाएं इतनी दुर्लभ होती हैं कि एक मानक ट्रिगर उन्हें मिस कर सकता है। इसके बजाय, सिस्टम प्रत्येक डेटा को टाइमस्टैम्प देता है, जिससे वैज्ञानिक बाद में उन समय अंतराल (टाइम विंडोज) को देखकर घटनाओं का पुनर्निर्माण कर सकते हैं जहाँ दिलचस्प पैटर्न दिखाई देते हैं। डिजाइन में न्यूट्रिनो का अध्ययन करने के लिए म्यूऑन शील्ड के भीतर एक अलग डिटेक्टर भी शामिल है, जो एक प्रकार का कण है जिसे पहचानना अत्यंत कठिन माना जाता है। प्रयोग का यह हिस्सा हजारों न्यूट्रिनो अंतःक्रियाओं को देखने का लक्ष्य रखता है, जो इस बात का प्रचुर डेटा प्रदान करेगा कि ये कण कैसे व्यवहार करते हैं।

पेपर में उल्लेख किया गया है कि लक्ष्य और म्यूऑन शील्ड के लिए डिजाइन अनिवार्य रूप से पूरा हो चुका है, जिसमें प्रोटोटाइप का परीक्षण यह सुनिश्चित करने के लिए किया गया है कि वे बीम की कठोर परिस्थितियों का सामना कर सकें। बैकग्राउंड टैगर्स और स्पेक्ट्रोमीटर वर्तमान में प्रोटोटाइपिंग चरण में हैं, और उनके प्रदर्शन की पुष्टि करने के लिए परीक्षण चल रहे हैं। टीम को विश्वास है कि 2033 में सुविधा के चालू होने तक, डिटेक्टर इन मायावी कणों की खोज के लिए विश्व-स्तरीय संवेदनशीलता के साथ तैयार होंगे। यदि दुर्बल रूप से अंतःक्रिया करने वाले कण उस द्रव्यमान और कपलिंग की सीमा के भीतर मौजूद हैं जिसकी जांच के लिए प्रयोग डिज़ाइन किया गया है, तो SHiP डिटेक्टर प्रणाली उन्हें खोजने में सक्षम होनी चाहिए। यदि वे नहीं हैं, तो प्रयोग उनके अस्तित्व पर अब तक की सबसे सख्त सीमाएँ निर्धारित करेगा, जिससे प्रभावी रूप से नई भौतिकी की अधिकांश सैद्धांतिक संभावनाओं को खारिज किया जा सकेगा। यह कार्य इंजीनियरिंग और भौतिकी का एक सावधानीपूर्ण संतुलन है, जो एक ऐसी मशीन बना रहा है जो ब्रह्मांड के छिपे हुए रहस्यों की सबसे हल्की फुसफुसाहट को सुनने के लिए पर्याप्त शांत है।