Particle-dependent radioluminescence color response of Eu-doped CaF$_2$ associated with energy-loss density

कल्पना कीजिए कि एक ऐसी दुनिया है जहाँ अदृश्य कण, अविश्वसनीय गति से अंतरिक्ष में दौड़ रहे हैं, अपने पीछे एक मंद, रंगीन चमक छोड़ जाते हैं। यह स्किंटिलेटर (scintillators) का क्षेत्र है, जो विशेष सामग्रियां हैं जो अनुवादक के रूप में कार्य करती हैं, यानी वे खतरनाक या रहस्यमय विकिरण की ऊर्जा को दृश्य प्रकाश में बदल देती हैं जिसे हमारी आँखें और मशीनें देख सकती हैं। वैज्ञानिक इन सामग्रियों पर डार्क मैटर खोजने, मानव शरीर की इमेजिंग करने और पर्यावरण में विकिरण की निगरानी करने के लिए भरोसा करते हैं। इस क्षेत्र में एक प्रमुख चुनौती विभिन्न प्रकार के कणों के बीच अंतर करना है। आमतौर पर, शोधकर्ता इस बात पर देखते हैं कि किसी कण के सामग्री से टकराने के बाद प्रकाश कितनी देर तक रहता है। हालाँकि, उस प्रकाश के रंग में ही एक और सुराग छिपा हुआ है। कुछ सामग्रियां, अलग-अलग प्रकार के विकिरण से टकराने पर, अपनी चमक को एक रंग से दूसरे रंग में बदल देती हैं। यह ठीक-कैसे और क्यों होता है, इसे समझना वैज्ञानिकों को केवल उस फ्लैश के रंग को देखकर कणों की पहचान करने की अनुमति दे सकता है।

हालिया अध्ययन का केंद्र एक विशिष्ट क्रिस्टल है जिसे कैल्शियम फ्लोराइड कहा जाता है, जिसमें यूरोपियम नामक एक दुर्लभ-तत्व की थोड़ी मात्रा मिलाई गई है। यह सामग्री अपनी स्थिरता और एक ही समय में दो अलग-अलग रंगों—नीली और लाल रोशनी—में चमकने की क्षमता के लिए जानी जाती है। नीला प्रकाश यूरोपियम परमाणु के एक रूप से आता है, जबकि लाल प्रकाश थोड़े अलग रूप से आता है। पिछले प्रयोगों में, शोधकर्ताओं ने देखा कि जब इस क्रिस्टल को भारी अल्फा कणों से टकराया गया, तो एक्स-रे की तुलना में लाल रोशनी नीली रोशनी के सापेक्ष बहुत अधिक मजबूत हो गई। इससे यह संकेत मिला कि कण द्वारा जमा की गई ऊर्जा का घनत्व वह स्विच हो सकता है जो रंग के संतुलन को बदल देता है। इस विचार का अधिक गहनता से परीक्षण करने के लिए, त्सुकुबा विश्वविद्यालय और तोहोकू विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों की एक टीम ने क्रिस्टल पर हल्के हाइड्रोजन परमाणुओं से लेकर भारी निकल परमाणुओं तक, विभिन्न प्रकार के आयनों की बमबारी करने का निर्णय लिया।

शोधकर्ताओं ने अपने क्रिस्टल नमूनों पर हाइड्रोजन, लिथियम, कार्बन और निकल आयनों की बीम चलाने के लिए एक शक्तिशाली कण त्वरक (particle accelerator) का उपयोग करके एक प्रयोग स्थापित किया। उन्होंने इन बीमों की ऊर्जा को सावधानीपूर्वक नियंत्रित किया, कभी-कभी उन्हें क्रिस्टल के भीतर कितनी ऊर्जा जमा करनी है, यह बदलने के लिए पतली धातु की पन्नियों (foils) के माध्यम से धीमा किया। जैसे ही प्रत्येक बीम क्रिस्टल से टकराती, टीम उच्च-सटीक कैमरों और स्पेक्ट्रोमीटरों के साथ परिणामी चमक को मापती, और यह रिकॉर्ड करती कि कितनी नीली और लाल रोशनी उत्पन्न हुई। उन्होंने कंप्यूटर सिमुलेशन का भी उपयोग किया ताकि क्रिस्टल के माध्यम से यात्रा करते समय प्रत्येक आयन द्वारा बनाई गई औसत ऊर्जा घनत्व की गणना की जा सके। इसने उन्हें क्रिस्टल पर टकराने वाली ऊर्जा की तीव्रता के विरुद्ध प्रकाश के रंग की सीधे तुलना करने की अनुमति दी।

परिणामों ने एक स्पष्ट पैटर्न का खुलासा किया। जैसे ही टीम ने सबसे हल्के हाइड्रोजन आयनों से भारी लिथियम और फिर कार्बन आयनों की ओर बढ़ना शुरू किया, प्रकाश का संतुलन स्पष्ट रूप से बदल गया। जैसे-जैसे ऊर्जा घनत्व बढ़ा, नीली रोशनी के सापेक्ष लाल चमक काफी बढ़ गई, जो लगभग दो गुना तक बढ़ गई। इसने पुष्टि की कि क्रिस्टल वास्तव में इस बात के प्रति संवेदनशील है कि ऊर्जा कितनी सघनता से भरी है। हालाँकि, कहानी एक सीधी रेखा में नहीं चली। जब शोधकर्ताओं ने सबसे भारी निकल आयनों का उपयोग किया, जिन्होंने कार्बन आयनों की तुलना में बहुत अधिक घनत्व पर ऊर्जा जमा की, तो लाल और नीली रोशनी का अनुपात बढ़ना रुक गया। रंग का संतुलन एक सीमा (ceiling) पर पहुँच गया, जिससे पता चलता है कि परिवर्तन को संचालित करने वाली प्रक्रिया की एक सीमा है। टीम ने अपने नए निष्कर्षों की तुलना पिछले डेटा (एक्स-रे और अल्फा कणों) से की, जिसमें पाया कि एक्स-रे ने सबसे कम लाल रोशनी उत्पन्न की, जबकि अल्फा कण आयन-बीम के परिणामों के बीच में कहीं थे।

वैज्ञानिकों ने अन्य स्पष्टीकरणों को खारिज करने के लिए बहुत सावधानी बरती। उन्होंने विचार किया कि क्या क्रिस्टल कुछ कणों के टकराने पर अपनी नीली रोशनी को अधिक मजबूती से अवशोषित कर रहा है, या क्या हवा और वैक्यूम माप के विभिन्न प्रयोगात्मक सेटअप ने परिणामों को प्रभावित किया। विस्तृत जाँच से पता चला कि ये कारक उनके द्वारा देखे गए नाटकीय परिवर्तनों के लिए बहुत कम थे। इसके बजाय, साक्ष्य क्रिस्टल के भीतर ही एक प्रतिस्पर्धा की ओर इशारा करते हैं। जब कोई कण टकराता है, तो वह ऊर्जा का एक प्रवाह बनाता है जो या तो नीले रंग उत्सर्जित करने वाले परमाणुओं द्वारा या लाल रंग उत्सर्जित करने वाले परमाणुओं द्वारा अवशोषित किया जा सकता है। कम ऊर्जा घनत्व पर, नीले रंग उत्सर्जित करने वाले परमाणु हावी लगते हैं। जैसे-जैसे ऊर्जा घनत्व बढ़ता है, नीले रंग उत्सर्जित करने वाला मार्ग संतृप्त (saturated) या बाधित हो सकता है, जिससे लाल रंग उत्सर्जित करने वाले मार्ग को उपलब्ध ऊर्जा का बड़ा हिस्सा मिल पाता है। सबसे भारी आयनों के साथ अनुपात का न बढ़ना यह सुझाव देता है कि इस लाल रंग उत्सर्जित करने वाले मार्ग की भी एक सीमा है, या अत्यधिक घनत्व पर दोनों मार्ग समान रूप से प्रभावित होते हैं।

यह खोज कणों की पहचान करने का एक नया तरीका प्रदान करती है। जबकि वर्तमान विधियाँ अक्सर प्रकाश के फ्लैश के समय (timing) पर निर्भर करती हैं, यह अध्ययन दिखाता है कि प्रकाश का रंग भी कण के प्रकार और उसकी ऊर्जा के घनत्व का एक विश्वसनीय संकेतक है। शोधकर्ता प्रस्तावित करते हैं कि भविष्य के डिटेक्टर बनाए जा सकते हैं जो नीले और लाल घटकों को अलग कर सकें, जिसमें स्वतंत्र रूप से उनकी गिनती करने के लिए दर्पणों या फिल्टरों का उपयोग किया जाए। यह विभिन्न प्रकार के विकिरण के बीच अंतर करने के लिए एक नया उपकरण प्रदान करेगा, जो दुर्लभ घटनाओं को पकड़ने की क्षमता में सुधार कर सकता है या अधिक सटीक चिकित्सा इमेजिंग उपकरणों को बना सकता है। हालांकि टीम अभी तक ऊर्जा घनत्व के प्रभाव को कण के पथ के विशिष्ट आकार से पूरी तरह से अलग नहीं कर सकी है, लेकिन उनका काम एक ठोस आधार स्थापित करता है। यह सिद्ध करता है कि यूरोपियम-डोपेड कैल्शियम फ्लोराइड में चमक का रंग यादृच्छिक (random) नहीं है, बल्कि गुजरने वाले अदृश्य बलों के प्रति एक व्यवस्थित प्रतिक्रिया है।