Searching for Dark Photons and ALPs using Gamma-rays from Nuclear Reactors
यह शोधपत्र परमाणु रिएक्टरों से निकलने वाली गामा किरणों का उपयोग करके डार्क फोटॉन्स और एक्सियन-लाइक पार्टिकल्स (axion-like particles) की खोज के लिए एक डिटेक्टर-स्वतंत्र ढांचा प्रस्तुत करता है और लाइबस्टाड रिएक्टर में CONUS+ और CONUS100 जर्मेनियम प्रयोगों के लिए अनुमानित संवेदनशीलताएँ व्युत्पन्न करता है, जो इन हल्के, दुर्बल रूप से युग्मित कणों के लिए पहले से अनछुए पैरामीटर स्पेस की जांच करने की उनकी क्षमता को रेखांकित करता है।
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ब्रह्मांड उस पदार्थ से भरा है जिसे हम देख नहीं सकते। खगोलशास्त्री यह इसलिए जानते हैं क्योंकि आकाशगंगाएँ केवल दृश्य तारों और गैस के बल से जुड़े रहने के लिए बहुत तेज़ घूमती हैं, और क्योंकि अदृश्य द्रव्यमान के समूहों के चारों ओर प्रकाश मुड़ जाता है। यह गायब पदार्थ, जिसे डार्क मैटर (dark matter) के रूप में जाना जाता है, ब्रह्मांड के अधिकांश पदार्थ का निर्माण करता है, फिर भी इसकी वास्तविक प्रकृति भौतिकी के सबसे बड़े रहस्यों में से एक बनी हुई है। दशकों तक, वैज्ञानिकों ने भारी, धीमी गति वाले कणों की खोज पर ध्यान केंद्रित किया, लेकिन जैसे-जैसे वे खोजें खाली हाथ रहीं, ध्यान हल्के, अधिक मायावी उम्मीदवारों की ओर स्थानांतरित हो गया। सबसे सम्मोहक संभावनाओं में "डार्क फोटॉन" (dark photons) और "एक्सियन-लाइक पार्टिकल्स" (axion-like particles) शामिल हैं। ये काल्पनिक, बहुत हल्के कण हैं जो शायद अत्यंत कमजोर बलों के माध्यम से साधारण पदार्थ के साथ परस्पर क्रिया करते हैं, जो दृश्य दुनिया और डार्क सेक्टर के बीच एक छिपे हुए सेतु के रूप में कार्य करते हैं। क्योंकि वे बहुत ही सूक्ष्म रूप से परस्पर क्रिया करते हैं, उन्हें खोजने के लिए ऐसी जगहों पर देखना आवश्यक है जहाँ बैकग्राउंड शोर कम हो और संभावित संकेतों का स्रोत अविश्वसनीय रूप से तीव्र हो।
परमाणु रिएक्टर, जो परमाणुओं को विभाजित करके शहरों को शक्ति प्रदान करते हैं, ऐसे ही एक स्रोत प्रदान करते हैं। रिएक्टर कोर के भीतर, परमाणुओं का विभाजन और उसके बाद परमाणु टुकड़ों का जमना उच्च-ऊर्जा प्रकाश कणों, जिन्हें गामा किरणें कहा जाता है, की एक बौछार छोड़ता है। जबकि ये गामा किरणें अच्छी तरह से समझी जा रही हैं, एक नया अध्ययन बताता है कि वे उन मायावी डार्क कणों का जन्मस्थान भी हो सकती हैं जिनकी वैज्ञानिक तलाश कर रहे हैं। शोधकर्ताओं के एक दल ने अब मॉडल किया है कि कैसे ये गामा किरणें डार्क फोटॉन या एक्सियन-लाइक पार्टिकल्स में बदल सकती हैं और कैसे एक नजदीकी डिटेक्टर उन्हें पकड़ सकता है। उन्होंने अपने गणनाओं को स्विट्जरलैंड में एक विशाल रिएक्टर से मात्र बीस मीटर दूर स्थित CONUS+ नामक एक विशिष्ट प्रयोग पर और उस प्रयोग के प्रस्तावित भविष्य के अपग्रेड पर केंद्रित किया। उनका काम इन कणों को अभी तक खोजने का दावा नहीं करता है; बल्कि, यह सटीक रूप से मानचित्रित करता है कि उन्हें कहाँ और कैसे देखा जाए, और वर्तमान एवं भविष्य के उपकरणों की क्षमताओं की सीमा को परिभाषित करता है।
शोधकर्ताओं ने रिएक्टर को इन छिपे हुए कणों के लिए एक कारखाने के रूप में मानकर शुरुआत की। डार्क फोटॉन के मामले में, जो प्रकाश के साधारण फोटॉन के ही संबंधी हैं लेकिन उनमें सूक्ष्म मात्रा में द्रव्यमान होता है, यह प्रक्रिया बिलियर्ड्स (billiards) के खेल के समान है। रिएक्टर से आने वाली एक गामा किरण रिएक्टर के ईंधन में एक इलेक्ट्रॉन से टकराती है, और टकराकर वापस उछलने के बजाय, वह एक डार्क फोटॉन में बदल जाती है। यह नया कण फिर रिएक्टर कोर से बाहर निकलता है, शील्डिंग और आसपास की चट्टानों के माध्यम से लगभग बिना किसी परस्पर क्रिया के गुजरता है, जब तक कि वह डिटेक्टर तक नहीं पहुँच जाता। डिटेक्टर के भीतर, जो अति-शुद्ध जर्मेनियम क्रिस्टल से भरा होता है, डार्क फोटॉन एक अन्य इलेक्ट्रॉन से टकराता है और वापस एक गामा किरण में बदल जाता है, जिससे ऊर्जा की एक विशिष्ट मात्रा जमा होती है जिसे मशीन रिकॉर्ड कर सकती है। टीम ने गणना की कि पांच लाख इलेक्ट्रॉन वोल्ट से कम द्रव्यमान वाले कणों के लिए, वर्तमान CONUS+ सेटअप एक संकेत को तब पकड़ सकता है जब परस्पर क्रिया की शक्ति लगभग एक भाग में एक लाख हो। एक बड़ा, अपग्रेड किया गया संस्करण, जिसे CONUS100 कहा जाता है, इस संवेदनशीलता को और आगे बढ़ा सकता है, जो एक भाग में अस्सी हजार तक पहुँच सकता है।
एक्सियन-लाइक पार्टिकल्स की खोज अधिक जटिल है क्योंकि ये कण कई अलग-अलग तरीकों से बनाए जा सकते हैं। कुछ तब पैदा होते हैं जब एक गामा किरण परमाणु नाभिक के विद्युत क्षेत्र के साथ परस्पर क्रिया करती है, जिसे प्राइमाकोफ कन्वर्जन (Primakoff conversion) के रूप la जाना जाता है। अन्य तब बनते हैं जब एक गामा किरण इलेक्ट्रॉन से टकराती है, या जब एक उत्तेजित परमाणु नाभिक, गामा किरण छोड़ने के बजाय, एक एक्सियन-लाइक पार्टिकल छोड़ता है। एक बार बनने के बाद, ये कण डिटेक्टर तक यात्रा करते हैं, जहाँ वे इलेक्ट्रॉन के साथ बिखर सकते हैं, एक परमाणु द्वारा अवशोषित किए जा सकते हैं, या यदि वे पर्याप्त भारी हैं, तो इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन के जोड़े में भी विघटित हो सकते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि वर्तमान CONUS+ प्रयोग ऊर्जा संकेतों को केवल 0.6 मिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट तक पढ़ने की अपनी क्षमता द्वारा सीमित है। यह कटऑफ का अर्थ है कि यह सबसे भारी एक्सियन-लाइक कणों या उन कणों को नहीं देख सकता जो इलेक्ट्रॉन जोड़े में विघटित होते हैं, जिन्हें देखने के लिए उच्च ऊर्जा थ्रेसहोल्ड की आवश्यकता होती है।
हालाँकि, प्रस्तावित CONUS100 अपग्रेड, जो डिटेक्टर के द्रव्यमान को बढ़ाकर एक सौ किलोग्राम कर देगा और इसकी ऊर्जा पढ़ने की क्षमता को दस मिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट तक बढ़ा देगा, पूरी तरह से अनछुए क्षेत्र में एक खिड़की खोलता है। अध्ययन दिखाता है कि यह बड़ा डिटेक्टर दस लाख इलेक्ट्रॉन वोल्ट के पैमाने के आसपास के कण द्रव्यमान के क्षेत्र की जांच कर सकता है जो पहले कभी परीक्षित नहीं किया गया है। विशेष रूप से, यह उन एक्सियन-लाइक पार्टिकल्स की तलाश कर सकता है जो हाइड्रोजन और न्यूट्रॉन से जुड़ी एक बहुत ही विशिष्ट परमाणु प्रतिक्रिया में उत्पन्न होते हैं, एक ऐसी प्रतिक्रिया जो 2.23 मिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट पर ऊर्जा की एक विशिष्ट, तीक्ष्ण रेखा बनाती है। यदि ये कण मौजूद हैं और उनके गुण सही हैं, तो अपग्रेड किया गया डिटेक्टर उन्हें इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन जोड़ों में विघटित होते हुए देख सकता है, जो एक ऐसा संकेत है जिसे अनदेखा करना असंभव होगा।
टीम ने मौजूदा सीमाओं के विरुद्ध अपनी अनुमानित संवेदनशीलता की तुलना अन्य प्रयोगों, जैसे कि कण त्वरकों (particle accelerators) का उपयोग करने वाले या सौर एक्सियॉन की खोज करने वाले प्रयोगों से भी की। उन्होंने पाया कि डार्क फोटॉन के लिए, अकेले CONUS+ प्रयोग पिछले सर्वश्रेष्ठ रिएक्टर प्रयोग परिणामों से लगभग डेढ़ गुना बेहतर प्रदर्शन कर सकता है। एक्सियन-लाइक पार्टिकल्स के लिए, स्थिति अधिक सूक्ष्म है। कम द्रव्यमान की श्रेणी में जहाँ कण लंबे समय तक जीवित रहते हैं, वर्तमान प्रयोगों ने सिद्धांत के सरल संस्करणों को पहले ही खारिज कर दिया है। लेकिन अध्ययन एक विशिष्ट अंतराल को उजागर करता है: एक ऐसा क्षेत्र जहाँ कण इतने भारी हैं कि वे इलेक्ट्रॉन जोड़े में विघटित हो सकें लेकिन इतने हल्के हैं कि रिएक्टर से डिटेक्टर तक की छोटी यात्रा में जीवित रह सकें। इस संकीर्ण विंडो में, CONUS100 प्रयोग इन कणों को खोजने वाला पहला प्रयोग हो सकता है, बशर्ते वे अस्तित्व में हों।
शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि ये परिणाम इस बात के विस्तृत सिमुलेशन पर आधारित अनुमान हैं कि डिटेक्टर कैसे व्यवहार करेंगे और कण कैसे परस्पर क्रिया करेंगे। उन्होंने अभी तक कोई संकेत नहीं देखा है; इसके बजाय, उन्होंने एक सटीक मानचित्र बनाया है कि यदि संकेत मौजूद है तो वह कहाँ दिखाई देगा। अध्ययन बैकग्राउंड शोर के एक सरलीकृत धारणा पर निर्भर करता है ताकि डिटेक्टरों द्वारा प्राप्त किए जा सकने वाले सर्वोत्तम-मामले के परिदृश्य को दिखाया जा सके। वास्तव में, भविष्य के विश्लेषण को डिटेक्टर के विशिष्ट, मापे गए बैकग्राउंड और रिएक्टर के संचालन के सूक्ष्म परिवर्तनों को ध्यान में रखना होगा। फिर भी, यह कार्य प्रदर्शित करता है कि परमाणु रिएक्टर, जिनका उपयोग लंबे समय से न्यूट्रिनो के अध्ययन के लिए किया जाता रहा है, डार्क मैटर परिवार के सबसे हल्के और सबसे मायावी सदस्यों की खोज के लिए शक्तिशाली प्रयोगशालाएं भी हैं। अपने डिटेक्टरों के देखने की सीमाओं को आगे बढ़ाकर, टीम ने दिखाया है कि अगली पीढ़ी के रिएक्टर प्रयोग अंततः डार्क सेक्टर में उन तरीकों से झाँक सकते हैं जो पहले असंभव माने जाते थे।
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