A REST-based Monte Carlo Simulation and Data Analysis Framework for the N$\nu$DEx Experiment

पश्चिमी चीन के ऊंचे पहाड़ों के नीचे, पृथ्वी की गहराई में, वैज्ञानिक उस एक फुसफुसाहट को सुनने की तैयारी कर रहे हैं जो लगभग अस्सी वर्षों से मानवता से ओझल रही है। वे 'न्यूट्रिनोलेस डबल-बीटा डिके' (neutrinoless double-beta decay) नामक एक रहस्यमयी घटना की तलाश कर रहे हैं। यह समझना कि यह क्यों महत्वपूर्ण है, इसके लिए पहले ब्रह्मांड के बारे में एक विचित्र संभावना को स्वीकार करना होगा: कि न्यूट्रिनो, एक सूक्ष्म कण जो बिना कोई निशान छोड़े सब कुछ के पार निकल जाता है, स्वयं अपना ही प्रति-कण (antiparticle) हो सकता है। यदि यह सच है, तो यह भौतिकी के नियमों को फिर से लिख देगा, और यह समझाएगा कि ब्रह्मांड पदार्थ और प्रति-पदार्थ के समान भागों वाले खाली शून्य के बजाय पदार्थ से क्यों बना है। जबकि मानक भौतिकी भविष्यवाणी करती है कि कुछ भारी परमाणु कभी-कभी दो प्रोटॉन और दो इलेक्ट्रॉन में विभाजित होकर दो अदृश्य कण जिन्हें 'एंटी-न्यूट्रिनो' कहा जाता है, छोड़ सकते हैं, लेकिन इस क्षय (decay) का वह विशेष संस्करण जिसे वैज्ञानिक खोज रहे हैं, केवल दो इलेक्ट्रॉनों को छोड़ेगा और कुछ भी नहीं। इस दुर्लभ घटना को खोजना यह सिद्ध करेगा कि न्यूट्रिनो वास्तव में अपने स्वयं के प्रति-कण हैं, एक ऐसी खोज जो द्रव्यमान की मौलिक प्रकृति और ब्रह्मांड की उत्पत्ति के रहस्यों को खोल देगी।

NνDEx प्रयोग इस मायावी संकेत को पकड़ने का नवीनतम और सबसे महत्वाकांक्षी प्रयास है। इसे सेलेनियम-82 नामक परमाणु के एक विशिष्ट प्रकार की निगरानी करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, यह प्रतीक्षा करते हुए कि इसके किसी नाभिक में यह वर्जित रूपांतरण हो जाए। यह प्रयोग चीन जिंघिंग भूमिगत प्रयोगशाला (China Jinping Underground Laboratory) में आयोजित किया जाएगा, जो एक ऐसी सुविधा है जिसे कॉस्मिक किरणों और अन्य पृष्ठभूमि शोर (background noise) से बचाने के लिए चट्टानों के नीचे गहराई में दफनाया गया है, जो मंद संकेत को दबा सकते हैं। डिटेक्टर का हृदय एक बड़ा, उच्च-दबाव वाला टैंक है जो सेलेनियम और फ्लोरीन से बनी गैस से भरा हुआ है। जब कोई क्षय होता है, तो यह पीछे आयनित गैस का एक निशान छोड़ देता है, ठीक वैसे ही जैसे एक विमान आकाश में वाष्प की लकीर (vapor trail) छोड़ता है। चुनौती यह है कि ये निशान अविश्वसनीय रूप से धुंधले होते हैं और प्राकृतिक रेडियोधर्मिता के शोर के साथ आसानी से भ्रमित हो सकते हैं। इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं को निशान के आकार को पूर्ण स्पष्टता के साथ देखने के एक तरीके की आवश्यकता है, ताकि डबल-बीटा क्षय के अद्वितीय हस्ताक्षर को सामान्य पृष्ठभूमि विकिरण द्वारा छोड़े गए अव्यवस्थित निशानों से अलग पहचाना जा सके।

इस कार्य में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने NνDEx डिटेक्टर का एक पूर्ण 'डिजिटल ट्विन' बनाया है ताकि यह परीक्षण किया जा सके कि उनका डिज़ाइन वास्तव में काम करेगा या नहीं, इससे पहले कि भौतिक मशीन पूरी तरह तैयार हो। उन्होंने REST नामक एक परिष्कृत सॉफ्टवेयर फ्रेमवर्क का उपयोग किया, जिसे जटिल डिटेक्टरों के भीतर कणों के चलने और परस्पर क्रिया करने के तरीके को सिम्युलेट (simulate) करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। मशीन को पहले बनाने और फिर सफल होने की उम्मीद करने के बजाय, उन्होंने एक आभासी संस्करण बनाया जहाँ वे लाखों नकली क्षय घटनाओं को उत्पन्न कर सकते थे और देख सकते थे कि डिटेक्टर कैसे प्रतिक्रिया देता है। उन्होंने सॉफ्टवेयर को वास्तविक उपकरण के हर भौतिक विवरण की नकल करने के लिए प्रोग्राम किया, जैसे कि टैंक को ढंकने वाली सीसे (lead) और तांबे की मोटी परतें, और गैस अणुओं द्वारा इलेक्ट्रॉनों को पकड़ने और उन्हें नकारात्मक आयनों में बदलने का विशिष्ट तरीका। यहाँ तक कि उन्होंने इन आयनों के माध्यम से गैस में उनके प्रवाह, समय के साथ उनके फैलने के तरीके, और अंततः टैंक के अंत में सेंसर के एक ग्रिड से टकराने के तरीके का भी सिमुलेशन किया।

सिमुलेशन से पता चला कि डिटेक्टर का डिज़ाइन उल्लेखनीय सटीकता के साथ संकेत को पकड़ने में सक्षम है। शोधकर्ताओं ने पाया कि टैंक के भीतर की गैस एक बहुत ही विशिष्ट तरीके से व्यवहार करती है: जब एक परमाणु क्षय होता है, तो यह ऐसे इलेक्ट्रॉन छोड़ता है जिन्हें गैस के अणुओं द्वारा तेजी से पकड़ा जाता है जिससे दो अलग-अलग प्रकार के भारी आयन बनते हैं। क्योंकि ये दो प्रकार के आयन थोड़े अलग वेग से चलते हैं, वे अलग-अलग समय पर सेंसर तक पहुँचते हैं, जिससे एक विशिष्ट 'डबल-पीक' सिग्नल बनता है। यह समय का अंतर एक पैमाने (ruler) की तरह कार्य करता है, जिससे कंप्यूटर सटीक रूप से गणना कर सकता है कि आयन कितनी दूर चले और क्षय कहाँ हुआ। इन आयनों के सेंसर से टकराने पर उत्पन्न होने वाले विद्युत संकेत के आकार का विश्लेषण करके, टीम ने उच्च सटीकता के साथ क्षय के मूल पथ को पुनर्गठित करने की विधि विकसित की। उन्होंने सिम्युलेटेड डेटा पर इस विधि का परीक्षण किया और पाया कि यह एक प्रतिशत से भी कम की त्रुटि के साथ घटना की ऊर्जा को पुनः प्राप्त कर सकती है।

सिमुलेशन के परिणाम NνDEx परियोजना के लिए विश्वास का एक मजबूत वोट हैं। डिजिटल परीक्षणों ने दिखाया कि डिटेक्टर संभावित न्यूट्रिनोलेस डबल-बीटा क्षय के साफ और स्पष्ट निशानों को पृष्ठभूमि के शोर के अराजक और अव्यवस्थित निशानों से अलग करने में सक्षम है। सिमुलेशन में प्राप्त ऊर्जा रिज़ॉल्यूशन (energy resolution), जो इस बात का माप है कि मशीन किसी कण की ऊर्जा को कितनी सटीकता से माप सकती है, 0.58 प्रतिशत तक पहुँच गया। यह उस दुर्लभ क्षय को पहचानने के लिए आवश्यक सख्त आवश्यकताओं के भीतर है, यदि वह मौजूद है। शोधकर्ताओं ने इलेक्ट्रॉनिक शोर को फ़िल्टर करने के लिए सर्वोत्तम सेटिंग्स भी निर्धारित कीं, जिससे यह सुनिश्चित हो सके कि केवल सबसे महत्वपूर्ण संकेतों का ही विश्लेषण किया जाए। यह सिद्ध करके कि उनका सॉफ्टवेयर गैस में होने के क्षण से लेकर अंतिम डिजिटल रीडआउट तक इन घटनाओं को सफलतापूर्वक ट्रैक कर सकता है, टीम ने प्रयोग के भविष्य के निर्माण के लिए एक ठोस आधार तैयार किया है।

यह कार्य अभी तक यह सिद्ध नहीं करता है कि न्यूट्रिनोलेस डबल-बीटा क्षय अस्तित्व में है; वह खोज तभी होगी जब वास्तविक डिटेक्टर बनाया जाएगा और डेटा एकत्र करना शुरू करेगा। हालाँकि, सिमुलेशन पुष्टि करता है कि NνDEx प्रयोग एक ठोस वैज्ञानिक आधार पर निर्मित है। यह प्रदर्शित करता है कि उच्च-दबाव वाली गैस, सटीक सेंसर और उन्नत डेटा विश्लेषण का संयोजन एक ऐसा मशीन बना सकता है जो नए भौतिकी की सबसे मंद फुसफुसाहट को सुनने के लिए पर्याप्त संवेदनशील हो। एक सैद्धांतिक विचार से एक कामकाजी डिटेक्टर तक का मार्ग लंबा और कठिन है, लेकिन यह अध्ययन दिखाता है कि ब्लूप्रिंट सही है। यदि प्रकृति दयालु है, और क्षय होता है, तो NνDEx प्रयोग इसे खोजने के लिए तैयार होगा, जो संभावित रूप से ब्रह्मांड के बारे में सबसे गहरे प्रश्नों में से एक का उत्तर देगा: कि हम यहाँ क्यों हैं।