Muon Detection and Direction Reconstruction with the Upgraded 1-ton Water Cherenkov Prototype Detector at CJPL-I
चाइना जिंनिंग अंडरग्राउंड लेबोरेटरी (CJPL-I) में उन्नत 1-टन वॉटर चेरेनकोव प्रोटोटाइप डिटेक्टर ने म्यूऑन डिटेक्शन दक्षता में 59% की वृद्धि और दिशा पुनर्निर्माण अनिश्चितता में 70% की कमी प्रदर्शित की, जिससे भूमिगत म्यूऑन फ्लक्स को सफलतापूर्वक मापा गया और भविष्य के न्यूट्रिनो-प्रेरित अध्ययनों को सक्षम करने के लिए एक दुर्लभ अप-गोइंग म्यूऑन घटना की पहचान की गई।
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चीन के सिचुआन प्रांत के पहाड़ों के बहुत नीचे दुनिया की सबसे गहरी भूमिगत प्रयोगशाला स्थित है, एक ऐसी जगह जहाँ ऊपर की चट्टान इतनी मोटी है कि वह अंतरिक्ष से गिरने वाले लगभग सभी प्राकृतिक विकिरण और कणों को रोक देती है। यह विशाल गहराई एक शांत, अंधेरा वातावरण बनाती है जहाँ वैज्ञानिक ब्रह्मांड की सबसे हल्की फुसफुसाहटों को सुनने के लिए तैयार रहते हैं, जैसे कि न्यूट्रिनो नामक मायावी कण जो पदार्थ के साथ शायद ही कभी परस्पर क्रिया करते हैं। इन फुसफुसाहटों को सुनने के लिए, शोधकर्ताओं को सबसे पहले पृष्ठभूमि के शोर को समझना होगा, जो मुख्य रूप से कॉस्मिक-रे म्यूऑन (cosmic-ray muons) से आता है। ये म्यूऑन उच्च गति वाले कण हैं जो तब बनते हैं जब कॉस्मिक किरणें वायुमंडल से टकराती हैं; वे उन संकेतों की नकल कर सकते हैं जिन्हें वैज्ञानिक खोज रहे हैं या अन्य रेडियोधर्मी कण बना सकते हैं जो डेटा को अव्यवस्थित कर देते हैं। यह मापकर कि कितने म्यूऑन खदान के तल तक पहुँचते हैं और वे कहाँ से आ रहे हैं, वैज्ञानिक बेहतर ढाल और फिल्टर डिजाइन कर सकते हैं ताकि अपने संवेदनशील प्रयोगों की रक्षा की जा सके, यह सुनिश्चित करने के लिए कि जो वे पहचानते हैं वह वास्तव में एक नई खोज है न कि केवल एक ब्रह्मांडीय छद्म रूप।
चीन जिंघिंग (China Jinping) भूमिगत प्रयोगशाला में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में इन म्यूऑनों का अध्ययन करने के लिए डिज़ाइन किए गए एक छोटे, एक-टन के प्रोटोटाइप डिटेक्टर के महत्वपूर्ण अपग्रेड को पूरा किया है। मूल रूप से एक बहुत बड़े भविष्य के प्रयोग के लिए प्रौद्योगिकियों का परीक्षण करने हेतु बनाया गया था, इस उपकरण को हाल ही में इन तेज़ गति वाले कणों को पकड़ने की इसकी क्षमता में सुधार करने के लिए पुनर्गठित किया गया था। शोधकर्ताओं ने टैंक के अंदर के पुराने लाइट सेंसर को साठ नए, अत्यधिक संवेदनशील ट्यूबों से बदल दिया और उन्हें रखने के लिए आंतरिक संरचना को फिर से डिजाइन किया। इसके बाद उन्होंने डिटेक्टर को पहले उपयोग किए गए लिक्विड स्किंटिलेटर के बजाय पानी से भर दिया, जिससे टैंक एक वॉटर चेरेनकोव (water Cherenkov) डिटेक्टर में बदल गया। इस सेटअप में, जब एक म्यूऑन पानी के माध्यम से प्रकाश की गति से भी तेज़ गति से गुजरता है, तो वह नीले प्रकाश का एक धुंधला शंकु बनाता है, जो ठीक वैसा ही है जैसा कि एक जेट द्वारा ध्वनि की बाधा को तोड़ने पर उत्पन्न होने वाला 'सोनिक बूम' होता है। नए सेंसर इस प्रकाश को पकड़ने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं, जिससे टीम को म्यूऑनों की गिनती करने और उनकी दिशा निर्धारित करने में पहले की तुलना में बहुत अधिक सटीकता प्राप्त होती है।
कई महीनों के दौरान, डिटेक्टर ने दो अलग-अलग चरणों में काम किया, पहले बिना किसी विशेष प्रकाश-रोधी ढाल के और बाद में मुख्य दृश्य क्षेत्र के बाहर के पानी से आने वाले बिखरे हुए प्रकाश को रोकने के लिए एक ढाल स्थापित करने के बाद। एकत्र किए गए डेटा का विश्लेषण करके, टीम ने पाया कि अपग्रेड किया गया डिटेक्टर उल्लेखनीय रूप से कुशल था। दूसरे चरण में, नई शील्डिंग के साथ, डिटेक्टर ने पिछले संस्करण के मुकाबले लगभग साठ प्रतिशत अधिक दक्षता के साथ म्यूऑनों की सफलतापूर्वक पहचान की। टीम ने गणना की कि डिटेक्टर से गुजरने वाले म्यूऑनों की संख्या प्रति वर्ग सेंटीमीटर लगभग 3.55 प्रति सेकंड है, जो एक परिणाम है जो समान स्थान पर विभिन्न उपकरणों का उपयोग करके पहले ली गई मापों से पूरी तरह मेल खाता है। यह सहमति पुष्टि करती है कि नई जल-आधारित तकनीक विश्वसनीय है और वैज्ञानिक समुदाय के लिए एक मूल्यवान क्रॉस-चेक प्रदान करती है।
शायद सबसे रोमांचक विकास इन कणों की दिशा का पता लगाने की डिटेक्टर की क्षमता थी। क्योंकि नए सेंसर अधिक संख्या में हैं और टैंक की सतह के अधिक हिस्से को कवर करते हैं, और क्योंकि शोधकर्ताओं ने प्रकाश के प्रहारों के समय और चमक की तुलना करने का एक स्मार्ट तरीका विकसित किया है, वे केवल छह डिग्री की अनिश्चितता के साथ एक म्यूऑन के पथ का पुनर्निर्माण कर सके। यह एक नाटकीय सुधार है, जो त्रुटि की सीमा को पिछले स्तर के केवल तीस प्रतिशत तक कम कर देता है। सटीकता का यह स्तर महत्वपूर्ण है क्योंकि यह वैज्ञानिकों को ऊपर से आने वाले म्यूऑनों (जो सामान्य हैं) और नीचे से आने वाले म्यूऑनों (जो अत्यंत दुर्लभ हैं) के बीच अंतर करने की अनुमति देता है।
डेटा संग्रह के दौरान, टीम ने एक बहुत ही असामान्य घटना देखी: एक म्यूऑन जो ऊपर की ओर बढ़ता हुआ प्रतीत हुआ, जो डिटेक्टर के नीचे की चट्टान से निकल रहा था। जबकि कॉस्मिक-रे म्यूऑनों को गुरुत्वाकर्षण और वायुमंडल द्वारा हमेशा नीचे की ओर धकेला जाता है, ऊपर की ओर जाने वाला म्यूऑन यह संकेत देता है कि वह डिटेक्टर के नीचे की चट्टान या पानी के साथ न्यूट्रिनो की परस्पर क्रिया से उत्पन्न हुआ है और एक म्यूऑन को वापस ऊपर की ओर फेंका है। शोधकर्ताओं ने सभी संभावित त्रुटियों और बैकग्राउंड शोर के विरुद्ध इस घटना की सावधानीपूर्वक जांच की, जिसमें पाया गया कि इसके गलती होने या नीचे से आने वाले कण के गलत पहचान होने की संभावना दस हजार में से एक से भी कम है। यह एकल घटना पहली बार है जब इस प्रयोगशाला में ऐसे न्यूट्रिनो-प्रेरित कण की स्पष्ट रूप से पहचान की गई है, जो इन मायावी कणों के अध्ययन के लिए एक नया द्वार खोलती है। अपग्रेड किए गए वॉटर डिटेक्टर की सफलता यह सिद्ध करती है कि एक लागत प्रभावी, जल-आधारित प्रणाली प्रभावी रूप से कॉस्मिक किरणों को माप सकती है और न्यूट्रिनो घटनाओं का पता लगा सकती है, जो भविष्य में नियोजित बड़े, अधिक शक्तिशाली डिटेक्टरों के लिए मार्ग प्रशस्त करती है।
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