First measurement of the low-momentum negative-muon beam for the muon-to-electron conversion experiment at J-PARC
COMET Phase- प्रयोग ने 2023 में ट्रांसपोर्ट सॉलेनॉइड के माध्यम से कम-संवेग वाले ऋणात्मक म्यूऑन के परिवहन का सफलतापूर्वक प्रदर्शन किया, जिससे बीम विशेषताओं का पहला प्रयोगात्मक बेंचमार्क प्राप्त हुआ और एक व्यवस्थित 30% यील्ड विसंगति के बावजूद सिमुलेशन मॉडलों को मान्य किया गया।
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उप-परमाणु दुनिया में, कण आमतौर पर एक सख्त नियम पुस्तिका का पालन करते हैं: एक म्यूऑन (muon), जो इलेक्ट्रॉन का एक भारी चचेरा भाई है, को अंततः एक इलेक्ट्रॉन और कुछ अदृश्य कणों में बदलना चाहिए, लेकिन इसे किसी परमाणु के भीतर स्थिर रहते हुए सीधे इलेक्ट्रॉन में कभी नहीं बदलना चाहिए। भौतिकविदों ने लंबे समय से इस नियम के एक दुर्लभ अपवाद की खोज की है, एक ऐसी प्रक्रिया जहाँ एक म्यूऑन धातु के लक्ष्य (target) के भीतर रुक जाता है और बिना किसी अन्य कण के प्रकट हुए सीधे इलेक्ट्रॉन में परिवर्तित हो जाता है। यदि यह रूपांतरण मिल जाता है, तो यह कण भौतिकी के मानक मॉडल (Standard Model) को तोड़ देगा, जो ब्रह्से के काम करने के तरीके का वर्तमान सर्वश्रेष्ठ सिद्धांत है, और पूरी तरह से नए बलों या कणों की ओर संकेत करेगा। इस क्षणिक घटना को पकड़ने के लिए, वैज्ञानिकों को एक ऐसी मशीन की आवश्यकता है जो एक बहुत ही विशिष्ट प्रकार की बीम प्रदान कर सके: धीमी गति से चलने वाले, ऋणात्मक रूप से आवेशित म्यूऑन की एक धारा, जिसे सावधानीपूर्वक फ़िल्टर और एक सटीक स्टॉपिंग पॉइंट तक निर्देशित किया गया हो। चुनौती यह है कि इन कणों को बनाना कठिन है और उन्हें मोड़ना और भी कठिन है, विशेष रूप से जब वे धीरे चल रहे हों।
जापान प्रोटॉन एक्सेलेरेटर रिसर्च कॉम्प्लेक्स में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में उस मशीन को बनाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया जिसकी इस खोज के लिए आवश्यकता है। उन्होंने इन धीमे म्यूऑन को पकड़ने और ले जाने के लिए डिज़ाइन किए गए एक नए केंद्र का पहला परीक्षण रन आयोजित किया। यह प्रयोग, जिसे फेज-α (Phase-α) के रूप में जाना जाता है, स्वयं रूपांतरण की अंतिम खोज नहीं था, बल्कि एक महत्वपूर्ण इंजीनियरिंग परीक्षण था यह सिद्ध करने के लिए कि क्या यह सुविधा वास्तव में उस बीम को पहुँचा सकती है जिसे वह ले जाने के लिए डिज़ाइन की गई है। शोधकर्ताओं ने नए कणों की एक बौछार बनाने के लिए एक लक्ष्य पर प्रोटॉन की एक शक्तिशाली बीम छोड़ी, फिर मलबे के बीच से छँटनी करने के लिए एक विशाल, घुमावदार चुंबकीय सुरंग का उपयोग किया। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या वे इन धीमे, ऋणात्मक म्यूऑन को इस सुरंग के माध्यम से सफलतापूर्वक निर्देशित कर सकते हैं और प्रयोगात्मक क्षेत्र में पहुँचा सकते हैं, जहाँ वे रुकेंगे और उस दुर्लभ रूपांतरण के होने की प्रतीक्षा करेंगे।
टीम ने इस यात्रा के माध्यम से पहुँचने वाले म्यूऑन की गिनती करने के लिए 'रेंज काउंटर' (Range Counter) नामक एक विशेष डिटेक्टर का उपयोग किया। यह उपकरण एक जाल की तरह काम करता है: यह आवेशित कणों को प्रवेश करने देता है, उन्हें ग्रेफाइट की परतों के साथ धीमा करता है, और उन्हें तांबे के एक ब्लॉक में रोकता है। जब एक म्यूऑन तांबे में रुकता है, तो वह अंततः क्षय होता है, और कुछ समय बाद एक इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित करता है। इस विलंबित इलेक्ट्रॉन की प्रतीक्षा करके, डिटेक्टर यह पुष्टि कर सकता है कि एक म्यूऑन वहां रुका था, जिससे इसे अन्य कणों के अराजक बैकग्राउंड से अलग पहचाना जा सके। शोधकर्ताओं ने पाया कि वे वास्तव में प्रयोगात्मक क्षेत्र में धीमी ऋणात्मक म्यूऑन की एक मापने योग्य बीम पहुँचाने में सफल रहे थे। बीम कणों का कोई अनियंत्रित छिड़काव नहीं था; यह कम-मोमेंटम क्षेत्र में केंद्रित थी, जिसका अर्थ है कि म्यूऑन उन आवश्यक धीमी गति से चल रहे थे जो भविष्य के प्रयोग के लिए चाहिए।
टीम ने यह भी मानचित्रित किया कि उनकी बीम घुमावदार चुंबकीय सुरंग के माध्यम से कैसे यात्रा करती है। उन्होंने पाया कि बीम एक बिल्कुल सीधी रेखा या एक समान वृत्त में नहीं चलती है। इसके बजाय, यह एक विशिष्ट दिशा में विचलित हुई, जिसमें डिटेक्टर को ऊपर की ओर ले जाने पर बीम की प्राप्ति (yield) नीचे की ओर ले जाने की तुलना में अधिक मजबूती से कम हो गई। यह पैटर्न भौतिकी के उन अनुमानों से मेल खाता है कि कैसे आवेशित कण एक घुमावदार चुंबकीय क्षेत्र में व्यवहार करते हैं, जिससे पुष्टि होती है कि चुंबकीय बल बीम को ठीक वैसे ही निर्देशित कर रहे थे जैसा डिजाइनरों ने चाहा था। शोधकर्ताओं ने अपने वास्तविक दुनिया के मापों की पूरी प्रक्रिया के विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन के साथ तुलना की। जबकि सिमुलेशन ने बीम के सामान्य आकार और व्यवहार की सही भविष्यवाणी की, लेकिन उनके द्वारा गिने गए म्यूऑन की वास्तविक संख्या कंप्यूटर के अनुमान से लगभग तीस प्रतिशत अधिक थी।
यह अंतर कोई विफलता नहीं बल्कि एक मूल्यवान खोज है। यह वैज्ञानिकों को बताता है कि इन कणों के उत्पादन और बीमलाइन में मौजूद सामग्रियों के साथ उनके परस्पर क्रिया करने के उनके वर्तमान मॉडल थोड़े अपूर्ण हैं। तथ्य यह है कि बीम पहुंची भी, और इसका व्यवहार चुंबकीय क्षेत्र के अपेक्षित भौतिकी से मेल खाता है, यह सिद्ध करता है कि सुविधा अगले चरण के लिए तैयार है। प्रयोग ने सफलतापूर्वक प्रदर्शित किया कि जटिल चुंबकों और सुरंगों की प्रणाली उन धीमे, ऋणात्मक म्यूऑन को पहुँचा सकती है जिनकी मुख्य खोज के लिए आवश्यकता है। इस पहले बेंचमार्क की स्थापना के साथ, अब टीम के पास अपने कंप्यूटर मॉडल को परिष्कृत करने के लिए वास्तविक डेटा है, जिससे यह सुनिश्चित होगा कि जब पूर्ण-स्तरीय प्रयोग चलेगा, तो वे जानते होंगे कि कितने म्यूऑन की अपेक्षा करनी है और वे कहाँ होंगे। यह सफल परीक्षण रन मशीन बनाने से लेकर यह समझने की ओर संक्रमण का प्रतीक है कि यह कैसे काम करती है, जो भविष्य की नई भौतिकी की खोज के लिए आवश्यक आधार तैयार करता है।
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