Measurement of the Ar specific activity in atmospheric argon with DArT at the Canfranc Underground Laboratory
कैनफ्रैंक अंडरग्राउंड लेबोरेटरी में डार्ट (DArT) डिटेक्टर का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने वायुमंडलीय आर्गन में Ar की विशिष्ट गतिविधि को मापा है, जो अब तक का सबसे सटीक निर्धारण स्थापित करता है और भविष्य के डार्क मैटर प्रयोगों के लिए डिटेक्टर को प्रमाणित करता है।
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पृथ्वी की सतह के बहुत नीचे, स्पेन के पाइरेनीस पहाड़ों में तराशी गई एक शांत प्रयोगशाला में, वैज्ञानिक ब्रह्मांड की सबसे मंद फुसफुसाहटों को सुनने की कोशिश कर रहे हैं। वे डार्क मैटर (dark matter) की तलाश कर रहे हैं, वह अदृश्य पदार्थ जो ब्रह्मांड के अधिकांश द्रव्यमान का निर्माण करता है लेकिन प्रकाश के साथ परस्पर क्रिया करने से इनकार करता है। इसकी एक झलक पाने के लिए, शोधकर्ता तरल आर्गन (liquid argon) से भरे टैंकों का उपयोग करते हैं, जो एक उत्कृष्ट गैस (noble gas) है और किसी कण के टकराने पर क्षण भर के लिए चमक उठती है। यह चमक एक संकेत के रूप में कार्य करती है, प्रकाश की एक ऐसी चमक जो डिटेक्टर को बताती है कि एक टकराव हुआ है। हालाँकि, उस आर्गन के साथ एक समस्या है जिसे हम सांस के रूप में लेते हैं। हमारे वायुमंडल में पाए जाने वाले आर्गन में आर्गन-39 नामक एक सूक्ष्म रेडियोधर्मी आइसोटोप (isotope) मौजूद है। यह आइसोटोप निरंतर, निम्न-स्तरीय 'स्टैटिक नॉइज़' (static noise) की तरह कार्य करता है, जो ऐसे इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित करता है जो ठीक उन्हीं संकेतों की नकल कर सकते हैं जिन्हें वैज्ञानिक खोजने की कोशिश कर रहे हैं। डार्क मैटर की मंद फुसफुसाहट को सुनने के लिए, उन्हें यह सटीक रूप से जानना होगा कि यह स्टैटिक शोर कितना तेज़ है, और उन्हें आर्गन के ऐसे स्रोत को खोजना होगा जो इससे पूरी तरह मुक्त हो।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में एक सटीक माप किया ताकि यह निर्धारित किया जा सके कि वायुमंडलीय आर्गन में यह रेडियोधर्मी शोर वास्तव में कितना मौजूद है। उन्होंने DArT नामक एक छोटे, अत्यधिक संवेदनशील डिटेक्टर का उपयोग किया, जो आर्गन को ठंडा और तरल रखने के लिए तरल नाइट्रोजन से भरे क्रायोस्टेट (cryostat) के भीतर स्थित है। प्रयोग को यथासंभव स्वच्छ बनाने के लिए डिज़ाइन किया गया था, जिसमें एक अद्वितीय संदर्भ बिंदु का उपयोग किया गया: "अंडरग्राउंड आर्गन" (underground argon) का एक नमूना। यह विशेष गैस कोलोराडो में गहरे कुओं से निकाली गई थी, जहाँ यह लाखों वर्षों से वायुमंडल से अलग रही है, जिसका अर्थ है कि इसमें लगभग कोई रेडियोधर्मी आर्गन-39 शेष नहीं बचा है। वायुमंडलीय आर्गन में शोर के स्तर की तुलना इस लगभग शांत अंडरग्राउंड आर्गन से करके, टीम ने अभूतपूर्व सटीकता के साथ इस रेडियोधर्मी आइसोटोप की विशिष्ट गतिविधि (specific activity) को मापा।
शोधकर्ताओं ने अपने डिटेक्टर को पहले वायुमंडलीय आर्गन से और फिर अंडरग्राउंड नमूने से भरा। डिटेक्टर के भीतर, तरल आर्गन विकिरण के स्रोत और प्रकाश को पकड़ने वाले माध्यम, दोनों के रूप में कार्य करता है। जब एक आर्गन-3unya परमाणु क्षय (decay) होता है, तो वह एक इलेक्ट्रॉन छोड़ता है जो प्रकाश की एक चमक पैदा करता है। डिटेक्टर, जो अति-संवेदनशील प्रकाश सेंसरों से लैस है, इन चमकों की गिनती करता है। चूँकि अंडरग्राउंड आर्गन में रेडियोधर्मिता का स्तर बहुत कम है, इसलिए इसने एक आदर्श बैकग्राउंड संदर्भ के रूप में कार्य किया। टीम को यह अनुमान लगाने के लिए जटिल कंप्यूटर सिमुलेशन पर निर्भर रहने की आवश्यकता नहीं थी कि बैकग्राउंड शोर कैसा दिखना चाहिए; वे बस अंडरग्राउंड नमूने के सिग्नल को वायुमंडलीय नमूने के सिग्नल से घटा सकते थे। इस प्रत्यक्ष तुलना ने उन अनिश्चितताओं को दूर कर दिया जो आमतौर पर ऐसे मापों में बाधा डालती हैं।
अध्ययन ने वायुमंडल में आर्गन-39 की विशिष्ट गतिविधि के लिए एक बहुत ही सटीक संख्या प्रदान की: प्रत्येक किलोग्राम आर्गन के लिए 0.955 क्षय प्रति सेकंड। यह परिणाम पिछले मापों के अनुरूप है लेकिन काफी अधिक सटीक है, जिसने पिछले सर्वोत्तम डेटा की तुलना में अनिश्चितता को तीन गुना कम कर दिया है। शोधकर्ताओं ने इस निष्कर्ष की पुष्टि दो अलग-अलग विधियों का उपयोग करके की: एक सीधा गणना तकनीक और एक अधिक जटिल सांख्यिकीय विश्लेषण। दोनों दृष्टिकोणों ने एक ही निष्कर्ष निकाला, जिससे परिणाम की विश्वसनीयता और बढ़ गई। उन्होंने नाइट्रोजन के रिसाव या अन्य रेडियोधर्मी संदूषकों जैसे हस्तक्षेप के अन्य स्रोतों की भी सावधानीपूर्वक जाँच की, और पाया कि उनका डिटेक्टर लंबे समय तक डेटा लेने की अवधि के दौरान स्थिर और शुद्ध बना रहा।
यह माप भविष्य के उन प्रयोगों के लिए एक महत्वपूर्ण कड़ी है जिनका लक्ष्य डार्क मैटर का पता लगाना है। डार्कसाइड-20के (DarkSide-20k) और लेजेंड-1000 (LEGEND-1000) जैसी परियोजनाएं डार्क मैटर कणों की खोज के लिए सैकड़ों टन तरल आर्गन का उपयोग करने की योजना बना रही हैं। इन विशाल डिटेक्टरों के काम करने के लिए, उन्हें रेडियोधर्मी आर्गन-39 को हटाने के लिए शुद्ध किया गया आर्गन उपयोग करना होगा। कच्चे वायुमंडलीय गैस में रेडियोधर्मिता की सटीक प्रारंभिक मात्रा को जानकर, वैज्ञानिक यह गणना कर सकते हैं कि कितने शुद्धिकरण की आवश्यकता है और अपने अंतिम प्रयोगों में बैकग्राउंड शोर के स्तर का विश्वास के साथ पूर्वानुमान लगा सकते हैं। इस परीक्षण में DArT डिटेक्टर की सफलता उस तकनीक को भी प्रमाणित करती है जिसका उपयोग बड़े भूमिगत केंद्रों में किया जाएगा, यह सिद्ध करते हुए कि उनके सेंसर और क्रायोजेनिक सिस्टम इन गहरे अंतरिक्ष अन्वेषणों के लिए आवश्यक कठोर परिस्थितियों में विश्वसनीय रूप से कार्य कर सकते हैं।
इन निष्कर्षों के निहितार्थ केवल कण भौतिकी (particle physics) तक ही सीमित नहीं हैं। आर्गन-39 का उपयोग भूजल और बर्फ के काल निर्धारण (dating) के लिए किया जाता है, जिससे वैज्ञानिकों को दशकों से लेकर एक हजार वर्षों के पैमाने पर जलवायु इतिहास और जल संचलन को समझने में मदद मिलती है। वायुमंडलीय गतिविधि के स्तर में अनिश्चितता सीधे तौर पर इन तिथियों की सटीकता को प्रभावित करती है। इस मान को इतनी सटीकता के साथ निर्धारित करके, शोधकर्ताओं ने युवा जल नमूनों के काल निर्धारण के लिए एक अधिक विश्वसनीय संदर्भ प्रदान किया है। यह कार्य प्रदर्शित करता है कि गैस के दो नमूनों—एक शोर वाला और एक शांत—के बीच एक सरल, प्रत्यक्ष तुलना का उपयोग करके, वैज्ञानिक अनिश्चितताओं को हटा सकते हैं और उन सामग्रियों के वास्तविक स्वरूप को प्रकट कर सकते हैं जिनसे हमारी दुनिया और उससे परे ब्रह्मांड बना है।
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