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🔬 भौतिकी

The liquid-phase xenon purification system of the XENONnT dark matter experiment

XENONnT प्रयोग ने एक नवीन दो-चरणीय शुद्धिकरण प्रणाली को लागू करके रिकॉर्ड-तोड़ तरल ज़ेनॉन शुद्धता (19 ppt O2_2-तुल्य से नीचे) प्राप्त की, जो प्रारंभिक सफाई के लिए एक उच्च-दक्षता वाले कॉपर उत्प्रेरक को कम-पृष्ठभूमि वाले सिंटर्ड गेटर मिश्र धातु के साथ जोड़ती है, जिससे डिटेक्टर के ड्रिफ्ट वॉल्यूम में 86% से अधिक इलेक्ट्रॉन उत्तरजीविता संभव हो पाई है।

मूल लेखक: E. Aprile, J. Aalbers, K. Abe, M. Abu Rmilah, M. Adrover, S. Ahmed Maouloud, L. Althueser, B. Andrieu, E. Angelino, D. Antón Martin, S. R. Armbruster, F. Arneodo, L. Baudis, M. Bazyk, V. Beligotti, L.
प्रकाशित 2026-11-03
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CC BY 4.0

मूल लेखक: E. Aprile, J. Aalbers, K. Abe, M. Abu Rmilah, M. Adrover, S. Ahmed Maouloud, L. Althueser, B. Andrieu, E. Angelino, D. Antón Martin, S. R. Armbruster, F. Arneodo, L. Baudis, M. Bazyk, V. Beligotti, L. Bellagamba, R. Biondi, K. Boese, R. M. Braun, G. Bruni, R. Budnik, C. Cai, C. Capelli, J. M. R. Cardoso, A. P. Cimental Chávez, A. P. Colijn, J. Conrad, J. J. Cuenca-García, H. Dai, V. D'Andrea, L. C. Daniel Garcia, M. P. Decowski, A. Deisting, C. Di Donato, P. Di Gangi, S. Diglio, K. Eitel, S. el Morabit, R. Elleboro, A. Elykov, A. D. Ferella, C. Ferrari, H. Fischer, T. Flehmke, M. Flierman, R. Frankel, D. Fuchs, W. Fulgione, C. Fuselli, F. Gao, R. Giacomobono, R. Glade-Beucke, L. Grandi, J. Grigat, A. Guerrero Ramos, M. Guida, P. Gyorgy, R. Hammann, C. Hils, L. Hoetzsch, N. F. Hood, J. Howlett, J. Huang, A. Hurhina, M. Iacovacci, Y. Itow, J. Jakob, F. Joerg, Y. Kaminaga, S. Kazama, P. Kharbanda, M. Kobayashi, D. Koke, N. Kato, K. Kooshkjalali, A. Kopec, E. Kozlova, H. Landsman, L. Levinson, A. Li, H. Li, I. Li, J. Li, K. Li, S. Li, S. Y. Li, Z. Liang, Y. -T. Lin, S. Lindemann, M. Lindner, K. Liu, M. Liu, F. Lombardi, J. A. M. Lopes, G. M. Lucchetti, T. Luce, Y. Ma, C. Macolino, G. C. Madduri, J. Mahlstedt, F. Marignetti, T. Marrodán Undagoitia, K. Martens, J. Masbou, S. Mastroianni, V. Mazza, J. Merz, M. Messina, A. Michel, K. Miuchi, R. Miyata, A. Molinario, S. Moriyama, M. Murra, J. Müller, K. Ni, C. T. Oba Ishikawa, U. Oberlack, K. Otsuzuki, S. Ouahada, B. Paetsch, J. Palacio, Y. Pan, Q. Pellegrini, J. Pienaar, M. Pierre, G. Plante, T. R. Pollmann, F. Pompa, A. Prajapati, L. Principe, J. Qin, A. Ravindran, A. Razeto, L. Sanchez, J. M. F. dos Santos, I. Sarnoff, G. Sartorelli, M. T. Schiller, P. Schulte, H. Schulze Eißing, M. Schumann, L. Scotto Lavina, M. Selvi, F. Semeria, F. N. Semler, P. Shagin, X. Shen, S. Shi, H. Simgen, Z. Song, A. Stevens, C. Szyszka, A. Takeda, Y. Takeuchi, P. -L. Tan, D. Thers, G. Trinchero, C. D. Tunnell, K. Valerius, S. Vecchi, S. Vetter, G. Volta, B. von Krosigk, C. Weinheimer, M. Weiss, D. Wenz, C. Wittweg, V. H. S. Wu, Y. Xing, D. Xu, Z. Xu, M. Yamashita, J. Yang, L. Yang, J. Ye, M. Yoshida, G. Zavattini, Y. Zhao, M. Zhong, T. Zhu

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखक ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

इटली के ग्रान सासो पर्वत के बहुत नीचे, लिक्विड जेनन (तरल जेनन) का एक विशाल टैंक लगभग पूर्ण शांति में प्रतीक्षा कर रहा है, जो डार्क मैटर की सबसे हल्की फुसफुसाहट को खोजने के लिए तैयार है। यह पदार्थ, जो एक भारी उत्कृष्ट गैस है जिसे अत्यधिक ठंड द्वारा तरल में बदल दिया गया है, एक विशाल और संवेदनशील जाल के रूप में कार्य करता है। जब एक डार्क मैटर कण, यदि वह अस्तित्व में है, जेनन के एक परमाणु से टकराता है, तो उसे प्रकाश की एक छोटी सी चमक और कुछ मुक्त इलेक्ट्रॉन उत्पन्न करने चाहिए। वैज्ञानिक डार्क मैटर के अस्तित्व को सिद्ध करने के लिए इन संकेतों को पकड़ते हैं। हालाँकि, इस प्रयोग के सफल होने के लिए, तरल का अविश्वसनीय रूप से शुद्ध होना आवश्यक है। ऑक्सीजन या पानी की सूक्ष्म मात्रा भी, जो जेनन में घुली हुई हो, एक स्पंज की तरह काम करती है और मुक्त इलेक्ट्रॉनों को गिनने से पहले ही उन्हें चुरा लेती है। यदि इलेक्ट्रॉन गायब हो जाते हैं, तो संकेत खो जाता है, और खोज विफल हो जाती है। चुनौती यह है कि ये अशुद्धियाँ डिटेक्टर की अपनी दीवारों से लगातार बाहर निकलती रहती हैं, जिसका अर्थ है कि तरल को केवल एक बार नहीं, बल्कि निरंतर साफ किया जाना चाहिए।

XENONnT प्रयोग, जो अपने प्रकार का सबसे बड़ा प्रयोग है, इस बहुमूल्य तरल के 8.6 टन हिस्से को धारण करता है। इसे डार्क मैटर का पता लगाने के लिए पर्याप्त स्वच्छ रखने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक नई, विशेष सफाई प्रणाली बनाई है जो तरल जेनन को तब प्रवाहित करती है जब वह अपनी तरल अवस्था में होता है। पुराने तरीकों के विपरीत, जिन्हें सफाई के लिए जेनन को गैस में बदलना पड़ता था, यह नई प्रणाली लगभग 175 केल्विन के ठंडे तापमान पर सीधे तरल पर काम करती है। यह प्रणाली शक्तिशाली पंपों का उपयोग करती है ताकि तरल को एक लूप के माध्यम से धकेला जा सके, जिससे उसे दो अलग-अलग प्रकार की सफाई सामग्रियों से गुजारा जा सके। पहला प्रकार एक अत्यधिक कुशल उत्प्रेरक (कैटलिस्ट) है जिसे अधिकांश अशुद्धियों को तेजी से हटाने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जो तब आदर्श होता है जब टैंक को पहली बार भरा जाता है या रखरखाव के बाद। हालाँकि, इस पहले फिल्टर की एक कमी है: यह थोड़ी मात्रा में रेडॉन छोड़ता है, जो एक रेडियोधर्मी गैस है और जो बैकग्राउंड शोर पैदा करेगी और डार्क मैटर की खोज को भ्रमित करेगी।

इस समस्या को हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक दो-चरणीय रणनीति तैयार की। एक बार जब प्रारंभिक भारी सफाई पूरी हो जाती है, तो सिस्टम एक दूसरे प्रकार के फिल्टर पर स्विच कर देता है जो एक विशेष धातु मिश्र धातु (अलॉय) से बना होता है। यह दूसरा फिल्टर अशुद्धियों को हटाने में थोड़ा कम कुशल है, लेकिन यह अविश्वसनीय रूप से स्वच्छ है और कोई रेडियोधर्मी गैस उत्सर्जित नहीं करता है। भारी काम को पहले फिल्टर को सौंपकर और दूसरे का उपयोग शुद्धता बनाए रखने के लिए करके, टीम ने स्वच्छता का एक ऐसा स्तर प्राप्त किया जो पहले असंभव था। वे ऑक्सीजन जैसी अशुद्धियों की सांद्रता को 19 पार्ट्स प्रति ट्रिलियन से भी कम करने में सफल रहे। इस स्तर पर, कणों की परस्पर क्रिया से उत्पन्न होने वाले 86 प्रतिशत से अधिक इलेक्ट्रॉन अपनी यात्रा के दौरान जीवित रहते हैं, जिससे प्रयोग अपनी पूर्ण संवेदनशीलता तक पहुँच पाता है।

इस प्रणाली की सफलता महत्वपूर्ण इंजीनियरिंग बाधाओं को पार करने पर टिकी थी। पंपों को बिना गर्मी या नए दूषित तत्वों को शामिल किए गाढ़े, ठंडे तरल को स्थानांतरित करना था, इसलिए टीम ने ऐसे मोटर्स का उपयोग किया जो घूमने वाले हिस्सों के साथ चुंबकीय रूप से जुड़े (मैग्नेटिकली कपल्ड) थे, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि कोई भी धातु का हिस्सा तरल को स्पर्श न करे। उन्होंने एक हीट एक्सचेंजर भी जोड़ा जो जेनन को ठंडा करने के लिए तरल नाइट्रोजन का उपयोग करता है, जिससे जेनन के उबलने या बुलबुले बनने से रोका जा सके जो प्रवाह को बाधित कर सकते हैं। शोधकर्ताओं ने इन घटकों का व्यापक परीक्षण किया, यह मापते हुए कि पंप कितना दबाव उत्पन्न कर सकते हैं और पाइपों ने कितनी गर्मी अवशोषित की। उन्होंने पाया कि सिस्टम लगातार चल सकता है, महीनों तक तरल की शुद्धता बनाए रख सकता है बिना रुके।

इस कार्य के परिणाम अब डार्क मैटर के अगले पीढ़ी के प्रयोगों को मार्गदर्शन देने के लिए उपयोग किए जा रहे हैं। टीम ने प्रदर्शित किया कि एक लिक्विड-फेज प्यूरीफिकेशन सिस्टम 8.6 टन के विशाल लक्ष्य को संभाल सकता है, जो इस प्रकार के डिटेक्टर के लिए पहले अप्रमाणित था। यह सिद्ध करके कि वे तरल जेनन को डार्क मैटर के सूक्ष्म संकेतों को पकड़ने के लिए पर्याप्त शुद्ध रख सकते हैं, शोधकर्ताओं ने डार्क मैटर को खोजने के लिए एक प्रमुख बाधा को हटा दिया है। यह प्रणाली अब XENONnT प्रयोग के बैकग्राउंड में चल रही है, चुपचाप तरल को संचारित कर रही है और यह सुनिश्चित कर रही है कि संभावित डार्क मैटर टकराव से उत्पन्न होने वाला प्रत्येक इलेक्ट्रॉन पहचान के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्राप्त करे। यह उपलब्धि न केवल वर्तमान प्रयोग को मान्य करती है बल्कि भविष्य के और भी बड़े डिटेक्टरों के लिए मार्ग प्रशस्त करती है, जो 100 टन तक तरल जेनन रख सकते हैं और ब्रह्मांड के छिपे हुए द्रव्यमान की खोज को और आगे बढ़ा सकते हैं।

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