Cryogenic characterisation of the FBK NUV-HD-cryo Silicon Photomultipliers for the DarkSide-20k dark matter experiment

इटली के ग्रैन सासो पर्वत के नीचे, ब्रह्मांड के सबसे मायावी निवासियों की सबसे हल्की फुसफुसाहट को सुनने के लिए एक विशाल प्रयोग बनाया जा रहा है: डार्क मैटर (अंधक द्रव्य)। वैज्ञानिकों का मानना है कि यह अदृश्य पदार्थ ब्रह्मांड के अधिकांश पदार्थ का निर्माण करता है, फिर भी यह उस साधारण पदार्थ के साथ शायद ही कभी अंतःक्रिया करता है जिसे हम देख और छू सकते हैं। डार्क मैटर के कण की एक झलक पाने के लिए, शोधकर्ता टन तरल आर्गन से भरे एक टैंक का उपयोग करते हैं, जो एक अत्यंत ठंडे तरल के रूप में कार्य करता है और एक लक्ष्य तथा डिटेक्टर दोनों की भूमिका निभाता है। जब एक डार्क मैटर कण आर्गन परमाणु से टकराता है, तो वह प्रकाश की एक सूक्ष्म चमक पैदा करता है। चुनौती यह है कि ये चमक अविश्वसनीय रूप से मंद होती है, जो अक्सर केवल कुछ फोटोन तक ही सीमित होती है, और ये पृष्ठभूमि के शोर के समुद्र में घटित होती हैं। उन्हें देखने के लिए, प्रयोग को ऐसी आँखों की आवश्यकता है जो न केवल एक एकल फोटोन को पकड़ने के लिए पर्याप्त संवेदनशील हों, बल्कि इतनी शांत भी हों कि वे जमा देने वाले अंधेरे में अपने स्वयं के झूठे संकेत उत्पन्न न करें।

डार्कसाइड-20के (DarkSide-20k) प्रयोग, जिसका वर्तमान में निर्माण किया जा रहा है, सिलिकॉन फोटोमल्टीप्लायर नामक एक नए प्रकार के प्रकाश सेंसर पर निर्भर करता है। पुराने प्रयोगों में उपयोग किए जाने वाले पारंपरिक वैक्यूम ट्यूबों के विपरीत, ये सेंसर सिलिकॉन से बने ठोस-अवस्था (solid-state) के उपकरण हैं, जो कंप्यूटर के चिप्स के समान हैं लेकिन प्रकाश का पता लगाने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। इन्हें अत्यधिक कम तापमान पर काम करने की उनकी क्षमता और रेडियोधर्मिता की कमी के कारण चुना गया है, जो महत्वपूर्ण है क्योंकि सेंसर से निकलने वाला कोई भी पृष्ठभूमि विकिरण डार्क मैटर के संकेत की नकल कर सकता है। हालाँकि, इन सेंसरों को इस कार्य के लिए सिद्ध करना आवश्यक था। शुरुआती संस्करण ठंड में संघर्ष करते थे, बहुत अधिक आंतरिक शोर उत्पन्न करते थे और ऐसे झूठे संकेत बनाते थे जो डार्क मैटर की हल्की फुसफुसाहट को दबा देते थे। शोधकर्ताओं को यह साबित करने की आवश्यकता थी कि फोंडाज़िओन ब्रूनो केस्लर (Fondazione Bruno Kessler) द्वारा विकसित इन सेंसरों की नवीनतम पीढ़ी अत्यधिक ठंडे तरल आर्गन के कठोर वातावरण में त्रुटिहीन रूप से कार्य कर सकती है।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि सेंसर गहरे भूमिगत स्थान के लिए तैयार हैं, वैज्ञानिकों की एक टीम ने दो अलग-अलग प्रयोगशालाओं में, एक कनाडा में और एक इटली में, कठोर परीक्षणों की एक श्रृंखला आयोजित की। उन्होंने सेंसरों को 77 केल्विन तक ठंडा किया, जो परम शून्य से केवल 77 डिग्री ऊपर का तापमान है, जो तरल नाइट्रोजन के समान तापमान है। इस जमा देने वाली अवस्था में, उन्होंने मापा कि पूर्ण अंधकार में सेंसर कैसे व्यवहार करते हैं। उन्होंने उन यादृच्छिक इलेक्ट्रॉनिक स्पंदों (pulses) को गिना जो बिना प्रकाश के भी घटित होते हैं, जिन्हें 'डार्क नॉइज़' कहा जाता है, और पाया कि नए सेंसर उल्लेखनीय रूप से शांत थे। इन झूठे संकेतों की दर इतनी कम थी कि प्रयोग एक वास्तविक घटना को पृष्ठभूमि के शोर से अलग कर सकता था। उन्होंने यह भी अध्ययन किया कि जब एक एकल फोटोन उनसे टकराता है, तो सेंसर कैसी प्रतिक्रिया देते हैं, और उससे उत्पन्न विद्युत आवेश को मापा। इससे उन्हें सेंसर के 'गेन' (gain), या यह कि वह एक सूक्ष्म संकेत को कितना प्रवर्धित करता है, की गणना करने में मदद मिली, और पुष्टि हुई कि यह प्रवर्धन वोल्टेज बढ़ाने के साथ अनुमानित रूप से बढ़ता है।

परीक्षणों का एक महत्वपूर्ण हिस्सा यह समझना था कि सेंसर अनजाने में एक-दूसरे को कैसे सक्रिय कर सकते हैं। जब एक फोटोन एक सेंसर से टकराता है और एक संकेत उत्पन्न करता है, तो यह कभी-कभी एक माध्यमिक फोटोन छोड़ सकता है जो उड़कर पड़ोसी सेंसर से टकरा जाता है, जिससे झूठे संकेतों की एक श्रृंखला शुरू हो जाती है। शोधकर्ताओं ने इस "क्रॉसटॉक" (crosstalk) को मापा और पाया कि हालांकि ऐसा होता है, लेकिन नए सेंसरों को इसे काफी हद तक दबाने के लिए इंजीनियर किया गया है। उन्होंने "आफ्टरपल्सिंग" (afterpulsing) का भी अध्ययन किया, जो एक ऐसी घटना है जहाँ एक प्रारंभिक हिट के तुरंत बाद ट्रैप किए गए विद्युत आवेशों के कारण एक सेंसर फिर से फायर करता है। नए डिज़ाइन ने इस प्रभाव को इतना कम कर दिया है कि अब यह प्रयोग की जरूरतों के लिए व्यावहारिक रूप से नगण्य है। इन निष्कर्षों ने पुष्टि की कि ये सेंसर अंतिम डिटेक्टर में झूठे अलार्म का एक भ्रमित करने वाला जाल नहीं बनाएंगे।

इसके बाद टीम ने अपना ध्यान इस ओर लगाया कि सेंसर वास्तव में उस प्रकाश को कितनी अच्छी तरह देख सकते हैं जिसे वे पकड़ने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। डार्कसाइड-20के प्रयोग में, तरल आर्गन पराबैंगनी (ultraviolet) रेंज में प्रकाश उत्सर्जित करता है, जो सेंसरों के लिए अदृश्य है। इस प्रकाश को दृश्यमान बनाने के लिए, टैंक को एक विशेष रसायन से लेपित किया जाता है जो पराबैंगनी प्रकाश को अवशोषित करता है और उसे नीले प्रकाश के रूप में पुन: उत्सर्जित करता है। शोधकर्ताओं ने रंगों की एक विस्तृत श्रृंखला में इस नीले प्रकाश का पता लगाने में सेंसरों की दक्षता को मापा। उन्होंने पाया कि सेंसर इन फोटोन को पकड़ने में असाधारण रूप से अच्छे हैं, जिनकी दक्षता लगभग 50 प्रतिशत के शिखर पर है। इसका अर्थ है कि सही रंग के हर दो फोटोन में से एक सफलतापूर्वक पहचाना और रिकॉर्ड किया जाता है। उन्होंने यह भी मानचित्रित किया कि विभिन्न तरंग दैर्ध्य (wavelengths) के साथ यह दक्षता कैसे बदलती है, जिससे पुष्टि हुई कि सेंसर प्रयोग के कोटिंग से उत्पन्न विशिष्ट नीले प्रकाश के लिए पूरी तरह से ट्यून किए गए हैं।

अंत में, वैज्ञानिकों ने उन माध्यमिक फोटोन की जांच की जो विद्युत आवेश के एक हिमस्खलन (avalanche) के दौरान सेंसरों द्वारा स्वयं उत्सर्जित होते हैं। ये छिटपुट फोटोन तरल आर्गन के माध्यम से यात्रा कर सकते हैं और अन्य सेंसरों को सक्रिय कर सकते हैं, जिससे झूठे संकेतों की एक श्रृंखला उत्पन्न होती है, जिसे प्रयोग के कंप्यूटर मॉडल को ध्यान में रखना होगा। सेंसरों पर एक लेजर चमकाकर और उनके द्वारा उत्सर्जित मंद प्रकाश को एक संवेदनशील कैमरे के साथ कैप्चर करके, टीम ने इस माध्यमिक प्रकाश के स्पेक्ट्रम और तीव्रता को मापा। उन्होंने इन मापों का उपयोग यह अनुमान लगाने के लिए किया कि इन छिटपुट फोटोन में से कितने सेंसर से बाहर निकलेंगे और अंतिम डिटेक्टर में यात्रा करेंगे। यह डेटा प्रयोग के सटीक कंप्यूटर सिमुलेशन बनाने के लिए महत्वपूर्ण है, जिससे भौतिकविदों को वास्तविक डार्क मैटर संकेतों और सेंसरों के कारण होने वाली जटिल अंतःक्रियाओं के बीच अंतर करने में मदद मिलती है।

इस शोध पत्र में वर्णित व्यापक परीक्षण पुष्टि करते हैं कि नए सिलिकॉन सेंसर इस चुनौती के लिए तैयार हैं। वे उच्च संवेदनशीलता को कम शोर और न्यूनतम हस्तक्षेप के साथ जोड़ते हैं, जो उन्हें डार्कसाइड-20के प्रयोग के लिए आदर्श बनाता है। यह सिद्ध करके कि ये उपकरण अत्यधिक ठंड में विश्वसनीय रूप से कार्य कर सकते हैं और संभावित डार्क मैटर अंतःक्रियाओं की मंद चमक को सटीक रूप से पहचान सकते हैं, शोधकर्ताओं ने डार्क मैटर की सबसे संवेदनशील खोजों में से एक के लिए एक ठोस आधार तैयार किया है। यह कार्य सुनिश्चित करता है कि जब डिटेक्टर पूरी तरह से चालू होगा, तो वह स्पष्ट संभव कानों के साथ सुन रहा होगा, जो ब्रह्मांड के गहरे रहस्यों को सुनने के लिए तैयार है।