MoEDAL-MAPP: the first dedicated search experiment at the LHC

ब्रह्मांड उन नियमों के एक समूह पर बना है जिन्हें सुलझाने में वैज्ञानिकों ने एक सदी बिता दी है, जिसे 'स्टैंडर्ड मॉडल' के रूप में जाना जाता है। यह मॉडल सफलतापूर्वक समझाता है कि ज्ञात सबसे छोटे कण कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, लेकिन यह कुछ गहरे अनुत्तरित प्रश्नों को छोड़ देता है। उदाहरण के लिए, यह स्पष्ट नहीं करता कि विद्युत आवेश (इलेक्ट्रिक चार्ज) हमेशा विशिष्ट, पृथक मात्राओं में ही क्यों आता है, और न ही यह उस अदृश्य पदार्थ (डार्क मैटर) की व्याख्या करता है जो आकाशगंगाओं को थामे रखता है। उत्तर खोजने के लिए, भौतिक विज्ञानी वर्तमान सिद्धांत में दरारें खोजते हैं, उन कणों की तलाश करते हैं जो अस्तित्व में होने चाहिए यदि प्रकृति हमारी सोच से अधिक जटिल है। सबसे दिलचस्प संभावनाओं में चुंबकीय मोनोपोल (मैग्नेटिक मोनोपोल) शामिल हैं, ऐसे कण जो एक एकल चुंबकीय ध्रुव ले जाते हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक इलेक्ट्रॉन एक एकल विद्युत आवेश ले जाता है। जबकि हमारे द्वारा देखा गया हर चुंबक उत्तर और दक्षिण ध्रुव वाला होता है, एक मोनोपोल ऐसा कण होगा जिसका केवल एक ही ध्रुव होगा। एक को खोजना भौतिकी के नियमों को फिर से लिख देगा और यह समझाएगा कि विद्युत आवेश का परिमाण (क्वांटाइजेशन) क्यों होता है। इनके साथ ही, वैज्ञानिक अन्य अजीब, भारी कणों की भी तलाश कर रहे हैं जो सामान्य पदार्थ के साथ बहुत कमजोर रूप से अंतःक्रिया करते हैं, जो ब्रह्मांड के छिपे हुए क्षेत्रों को प्रकट कर सकते हैं।

स्विट्जरलैंड में लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (LHC) में, जहाँ प्रोटॉन लगभग प्रकाश की गति से टकराते हैं, एक विशेष टीम इन मायावी वस्तुओं की तलाश में है। इस प्रयास का नेतृत्व 'मोडेल' (MoEDAL) नामक एक प्रयोग द्वारा किया जा रहा है, जिसका अर्थ है 'मोनोपोल एंड एक्सोटिक्स डिटेक्टर एट द एलएचसी'। अरबों इलेक्ट्रॉनिक संकेतों को रिकॉर्ड करने वाले विशाल, जटिल डिटेक्टरों के विपरीत, मोडेल एक अनूठा, काफी हद तक निष्क्रिय उपकरण है। यह रिकॉर्ड करने के लिए कंप्यूटर पर ट्रिगर करने या प्रकाश की चमक को पकड़ने के लिए इलेक्ट्रॉनिक सेंसरों पर निर्भर नहीं करता है। इसके बजाय, यह ठोस सामग्रियों का उपयोग करता है जो दुर्लभ, अत्यधिक ऊर्जावान कणों के गुजरने के एक मूक गवाह के रूप में कार्य करती हैं। जब एक भारी, धीमी गति वाला कण इन सामग्रियों से गुजरता है, तो वह एक स्थायी भौतिक निशान छोड़ देता है, जो सूक्ष्मदर्शी से जांचा जा सकने वाला एक सूक्ष्म क्षति पथ होता है। इस प्रयोग ने हाल ही में एक नए घटक के साथ अपनी पहुंच का विस्तार किया है जिसे 'मैप' (MAPP) कहा जाता है, जिसे उन कणों को पकड़ने के लिए डिज़ाइन किया गया है जो इतनी कमजोर तरह से अंतःक्रिया करते हैं कि वे अन्य डिटेक्टरों से आसानी से निकल सकते हैं। शोध पत्रों का एक हालिया संग्रह इस टीम के नवीनतम सैद्धांतिक विचारों और प्रयोगात्मक परिणामों को एक साथ लाता है, जो इस बात का व्यापक विवरण देता है कि वे अज्ञात की खोज कैसे कर रहे हैं।

इस कार्य का मुख्य केंद्र यह समझना है कि ये अजीब कण क्या हो सकते हैं और उन्हें कैसे खोजा जाए। सैद्धांतिक भौतिकविदों ने वर्षों तक गणना की है कि क्या चुंबकीय मोनोपोल टक्कर बिंदु से डिटेक्टर तक की यात्रा में जीवित रहने के लिए पर्याप्त स्थिर हो सकते हैं। यदि कोई मोनोपोल तुरंत क्षय (डिके) हो जाता है, तो वह देखे जाने से पहले ही गायब हो जाएगा, पीछे केवल अपने क्षय उत्पादों को छोड़ देगा। हालांकि, यदि वह स्थिर या दीर्घजीवी है, तो वह डिटेक्टर के माध्यम से यात्रा करेगा और एक विशिष्ट संकेत छोड़ेगा। हाल के अध्ययनों ने इन सैद्धांतिक कणों के भीतर आंतरिक बलों की जांच की है ताकि यह देखा जा सके कि वे एकजुट रहेंगे या बिखर जाएंगे। एक विश्लेषण ने एक विशिष्ट प्रकार के मोनोपोल मॉडल के भीतर यांत्रिक तनावों की जांच की, जिसमें पाया गया कि हालांकि इसमें कुछ आंतरिक घूर्णन प्रवृत्तियां हो सकती हैं, लेकिन यह आवश्यक रूप से ढहता नहीं है। एक अन्य अध्ययन ने गणितीय तकनीकों का उपयोग यह परीक्षण करने के लिए किया कि क्या छोटे व्यवधान कण को तोड़ने का कारण बनेंगे, जिसमें पाया गया कि मॉडल ऐसे व्यवधानों के विरुद्ध स्थिर प्रतीत होता है। ये निष्कर्ष यह सिद्ध नहीं करते कि मोनोपोल मौजूद हैं, लेकिन वे पुष्टि करते हैं कि उनका वर्णन करने वाले सैद्धांतिक मॉडल इतने मजबूत हैं कि उन्हें प्रयोगात्मक खोजों में गंभीरता से लिया जा सके।

प्रयोगात्मक पक्ष पर, टीम इन कणों को पकड़ने के लिए उपयोग किए जाने वाले उपकरणों को परिष्कृत कर रही है। प्राथमिक विधि में एक विशेष प्लास्टिक की शीट शामिल है जो एक आवेशित कण के पथ को एक छोटे, उकेरे गए गड्ढे के रूप में रिकॉर्ड करती है। हालांकि, कोलाइडर के भीतर का वातावरण विकिरण से भरा होता है जो इन शीटों को धुंधला कर सकता है, जिससे उनके द्वारा खोजे जाने वाले दुर्लभ कणों के सूक्ष्म निशानों को देखना कठिन हो जाता है। इसे हल करने के लिए, शोधकर्ता डेटा पढ़ने के नए तरीके परीक्षण कर रहे हैं। एक दृष्टिकोण में प्लास्टिक शीटों पर तरल की एक पतली परत चढ़ाना और गड्ढों को स्कैन करने के लिए उन्नत कैमरा सिस्टम का उपयोग करना शामिल है, जो विकिरण के कारण उत्पन्न दृश्य शोर (विजुअल नॉइज़) को साफ करने में मदद करता है। एक अन्य टीम थर्मल कैमरों का उपयोग करके शीटों को स्कैन कर रही है, जो सामग्री में दोषों को प्रकट करने वाले ताप हस्ताक्षरों (हीट सिग्नेचर) की तलाश करती है। ये तकनीकी अपग्रेड महत्वपूर्ण हैं क्योंकि वे प्रयोग को कोलाइडर के बैकग्राउंड शोर और एक नए कण के स्पष्ट, तीखे संकेत के बीच अंतर करने की अनुमति देते हैं। शोधकर्ता विस्तृत रूप से विकिरण वातावरण का मानचित्रण भी कर रहे हैं, न्यूट्रॉन और अन्य कणों के प्रवाह को मापने के लिए सिलिकॉन डिटेक्टरों के नेटवर्क का उपयोग कर रहे हैं, जिससे यह सुनिश्चित हो सके कि वे जानते हैं कि वे किस प्रकार के बैकग्राउंड के विरुद्ध काम कर रहे हैं।

खोज ने अभी से परिणाम देना शुरू कर दिया है, भले ही कोई खोज न हुई हो। टकरावों के डेटा का विश्लेषण करके, टीम चुंबकीय मोनोपोल और अन्य भारी, आवेशित कणों के अस्तित्व पर सख्त सीमाएं निर्धारित करने में सक्षम रही है। उन्होंने निर्धारित किया है कि यदि ये कण मौजूद हैं, तो वे एक निश्चित सीमा से अधिक भारी होने चाहिए, जिससे वर्तमान ऊर्जा सीमा में हल्के संस्करणों के मिलने की संभावना प्रभावी रूप से खारिज हो जाती है। उदाहरण के लिए, उन्होंने कई ट्रिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट के द्रव्यमान तक कुछ चुंबकीय आवेशों वाले मोनोपोल के अस्तित्व को बाहर कर दिया है। यह एक महत्वपूर्ण उपलब्धि है क्योंकि यह खोज के दायरे को कम करती है, जिससे सिद्धांतकारों को पता चलता है कि आगे कहाँ देखना है। यह प्रयोग उन कणों को खोजने के लिए भी विशिष्ट रूप से अनुकूलित है जो धीरे चलते हैं, एक ऐसा गुण जिसे अन्य बड़े डिटेक्टर अक्सर चूक जाते हैं क्योंकि वे तेज़ गति से चलने वाले मलबे को पकड़ने के लिए ट्यून किए गए होते हैं। धीमी गति से चलने वाले भारी कणों को पकड़ने की यह क्षमता मोडेल को कोलाइडर के अन्य प्रमुख डिटेक्टरों का एक महत्वपूर्ण पूरक बनाती है।

मोनोपोल की तत्काल खोज से परे, यह प्रयोग "मिली-चार्ज्ड" (मिलिचार्ज्ड) कणों को खोजने के लिए अपना दायरा बढ़ा रहा है। ये काल्पनिक कण हैं जो इलेक्ट्रॉन के विद्युत आवेश के एक बहुत छोटे अंश को ले जाते हैं, जिससे उन्हें पहचानना अविश्वसनीय रूप से कठिन हो जाता है। इनकी भविष्यवाणी उन सिद्धांतों द्वारा की जाती है जो एक "डार्क सेक्टर" के अस्तित्व का सुझाव देते हैं, जो कणों की एक छिपी हुई दुनिया है जो हमारे दृश्य ब्रह्मांड के साथ केवल गुरुत्वाकर्षण या बहुत कमजोर बलों के माध्यम से अंतःक्रिया करती है। नया मैप (MAPP) विस्तार विशेष रूप से इन धुंधले संकेतों को पकड़ने के लिए डिज़ाइन किया गया है। एक ढाल वाले टनल में डिटेक्टर रखकर, टीम को उम्मीद है कि वे इन कणों को टक्कर से दूर बहते हुए देख पाएंगे। सैद्धांतिक कार्य बताता है कि यदि ये कण मौजूद हैं, तो वे अन्य खगोलीय अवलोकनों में देखी गई विसंगतियों, जैसे कि प्रारंभिक ब्रह्मांड में हाइड्रोजन गैस के प्रकाश को अवशोषित करने के तरीके की व्याख्या कर सकते हैं। टीम ने गणना की है कि कोलाइडर के आगामी अपग्रेड के साथ, उनका डिटेक्टर 200 GeV तक के द्रव्यमान तक पहुँच सकता है, जो इस छिपे हुए क्षेत्र में एक नई खिड़की खोलता है।

शोध अन्य विलक्षण संभावनाओं की भी खोज करता है, जैसे कि वे कण जो शुद्ध आवेश के बिना एक विद्युत द्विध्रुव आघूर्ण (इलेक्ट्रिक डायपोल मोमेंट) ले जाते हैं। ये तटस्थ कण अभी भी पदार्थ के साथ अंतःक्रिया कर सकते हैं और एक निशान छोड़ सकते हैं, हालांकि उनका संकेत एक आवेशित कण की तुलना में बहुत कमजोर होगा। गणना दर्शाती है कि ऐसा गुण रखने वाला एक भारी न्यूट्रिनो जैसे ही वह डिटेक्टर से गुजरता है, ऊर्जा खो देगा, जिससे एक धुंधला आयनीकरण संकेत उत्पन्न होगा जिसे मैप डिटेक्टर संभावित रूप से पहचान सकता है। इसी तरह, टीम भारी राइट-हैंडेड न्यूट्रिनो को खोजने की संभावना की भी जांच कर रही है, जिनकी भविष्यवाणी उन सिद्धांतों द्वारा की जाती है जो यह समझाने की कोशिश करते हैं कि न्यूट्रिनो का द्रव्यमान क्यों होता है। इन कणों के डिटेक्टर में व्यवहार को सिम्युलेट करके, शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि उनका सेटअप ज्ञात और अज्ञात कणों के बीच बहुत छोटे मिश्रण (मिक्सिंग स्ट्रेंथ) के प्रति संवेदनशील हो सकता है।

अंततः, यह कार्य प्रकृति के मौलिक निर्माण खंडों के बारे में हमारी जानकारी की सीमाओं को आगे बढ़ाने के एक समन्वित प्रयास का प्रतिनिधित्व करता है। मोडेल-मैप प्रयोग खोज के किनारे पर एक अद्वितीय प्रहरी के रूप में खड़ा है, जो सबसे जटिल और मायावी कणों का शिकार करने के लिए सरल, मजबूत तरीकों का उपयोग करता है। हालांकि अभी तक किसी नए कण की पुष्टि नहीं हुई है, प्रयोग ने सफलतापूर्वक परिदृश्य का मानचित्रण कर लिया है, संभावनाओं के विशाल क्षेत्रों को खारिज कर दिया है और खोजों की अगली पीढ़ी के लिए आवश्यक उपकरणों को परिष्कृत किया है। सैद्धांतिक अंतर्दृष्टि और प्रयोगात्मक नवाचार का संयोजन यह सुनिश्चित करता है कि खोज जारी रहे, जो इस विश्वास से प्रेरित है कि ब्रह्मांड में ऐसे रहस्य हैं जो बस प्रकट होने का इंतज़ार कर रहे हैं। जैसे-जैसे कोलाइडर उच्च ऊर्जा तक पहुँचता है, खोज की क्षमता बढ़ती है, और यह समर्पित टीम हमारे वर्तमान समझ से परे भौतिकी की पहली झलक पाने के लिए तैयार है।