The PICO-40L detector
यह शोध पत्र PICO-40L डिटेक्टर के डिज़ाइन, इंस्टालेशन और प्रदर्शन की समीक्षा करता है, जो एक नवीन "राइट-साइड-अप" (सीधा खड़ा रहने वाला) बबल चैंबर है जो फ्लूइड इंटरफेस को समाप्त करता है और बैकग्राउंड को कम करने के लिए बेलोज़ (bellows) को पुनर्गठित करता है, तथा भविष्य के PICO-500 डार्क मैटर प्रयोग के लिए अवधारणा को मान्य करने हेतु एक महत्वपूर्ण प्रोटोटाइप के रूप में कार्य करता है।
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
दशकों से, खगोलविदों को पता है कि ब्रह्मांड एक ऐसी चीज़ से भरा हुआ है जो अदृश्य है। हम इसे देख नहीं सकते, और न ही यह चमकता है, फिर भी इसका गुरुत्वाकर्षण आकाशगंगाओं को थामे रखता है और ब्रह्मांड को आकार देता है। इस अदृश्य पदार्थ को डार्क मैटर (dark matter) कहा जाता है। हालांकि हम जानते हैं कि यह मौजूद है, लेकिन हमें नहीं पता कि यह किस चीज़ से बना है। एक प्रमुख सिद्धांत सुझाव देता है कि यह भारी कणों से बना है जो सामान्य पदार्थ के साथ बहुत कम परस्पर क्रिया करते हैं, जिन्हें 'वीकली इंटरैक्टिंग मैसिव पार्टिकल्स' (WIMPs) के रूप में जाना जाता है। यदि ये कण मौजूद हैं, तो वे पृथ्वी पर एक डिटेक्टर में परमाणुओं के नाभिकों से टकरा सकते हैं, जिससे ऊर्जा की एक छोटी सी चमक उत्पन्न होती है। चुनौती यह है कि ये टकराव अविश्वसनीय रूप से दुर्लभ होते हैं और इतनी मंद संकेतों को उत्पन्न करते हैं जिन्हें चट्टानों या कॉस्मिक किरणों से होने वाले प्राकृतिक बैकग्राउंड शोर द्वारा आसानी से दबाया जा सकता है। उन्हें खोजने के लिए, वैज्ञानिकों को मील लंबी चट्टानों द्वारा ढका हुआ, भूमिगत गहराई में डिटेक्टर बनाने होंगे, और ऐसी सामग्रियों का उपयोग करना होगा जो इतनी शुद्ध हों कि वे स्वयं का विकिरण उत्सर्जित न करें।
PICO सहयोग के रूप में जाने जाने वाले शोधकर्ताओं के एक दल ने इन मायावी कणों की खोज के लिए एक नया डिटेक्टर बनाया है, और उन्होंने इसके डिज़ाइन और प्रारंभिक प्रदर्शन पर एक विस्तृत रिपोर्ट प्रकाशित की है। यह डिटेक्टर, जिसे PICO-40L कहा जाता है, कनाडा के सडबरी में एक खान में दो किलोमीटर नीचे स्थित एक बड़ा बबल चैंबर है। पारंपरिक डिटेक्टरों के विपरीत जो ठोस क्रिस्टल या तरल टैंकों का उपयोग करते हैं, यह मशीन ऑक्टाफ्लोरोप्रोपेन (octafluoropropane) नामक एक विशेष तरल का उपयोग करती है, जिसे ऐसी अवस्था में रखा जाता है जहाँ यह उबलने के लिए तैयार होता है लेकिन दबाव द्वारा रोका जाता है। जब कोई कण इस तरल में एक परमाणु से टकराता है, तो वह ऊर्जा की एक सूक्ष्म मात्रा जमा करता है, जिससे तुरंत एक छोटा बुलबुला बन जाता है। मशीन को इतना संवेदनशील बनाया गया है कि वह डार्क मैटर के टकराव से होने वाले ऊर्जा के सूक्ष्म जमाव का पता लगा सके, जबकि अन्य प्रकार के विकिरण से होने वाले बहुत बड़े ऊर्जा जमाव को अनदेखा कर सके जो बुलबुले नहीं बनाते हैं।
PICO-40L डिटेक्टर इस बात का एक महत्वपूर्ण विकास है कि इन बबल चैंबरों को कैसे बनाया जाता है। प्रयोग के पिछले संस्करणों में एक ऐसा डिज़ाइन उपयोग किया जाता था जहाँ लक्ष्य तरल एक बफर फ्लूइड के ऊपर स्थित होता था, जो एक एकल कंटेनर द्वारा अलग किया गया होता था। यह पुराना सेटअप दो अलग-अलग तरल पदार्थों के बीच एक सीमा बनाता था, जो कभी-कभी गलत संकेत उत्पन्न कर सकता था। नया PICO-40L पूरी तरह से अलग व्यवस्था का उपयोग करता है, जिसे टीम "राइट-साइड-अप" (Right-Side-Up) डिज़ाइन कहती है। इस विन्यास में, लक्ष्य तरल को एक दोहरी दीवार वाले कांच के पात्र के भीतर रखा जाता है जो चैंबर के निचले हिस्से में स्थित होता है, जिसमें दबाव प्रणाली ऊपर के बजाय नीचे स्थित होती है। यह परिवर्तन दो तरल पदार्थों के बीच के इंटरफेस को हटा देता है और उन यांत्रिक भागों को एक ठंडे, निष्क्रिय क्षेत्र में ले जाता है जो शोर पैदा कर सकते हैं। परिणाम एक स्वच्छ वातावरण है जहाँ डिटेक्टर के प्राकृतिक बैकग्राउंड शोर से धोखा खाने की संभावना कम होती है।
डिटेक्टर को ठीक से काम करने के लिए, टीम को एक कठिन थर्मल समस्या को हल करना पड़ा। चैंबर के अंदर के तरल को एक ही समय में दो अलग-अलग तापमानों पर रखा जाना चाहिए। वह मुख्य आयतन जहाँ डार्क मैटर की खोज होती है, उसे पर्याप्त गर्म रखा जाना चाहिए ताकि वह बुलबुले बनाने के लिए तैयार रहे, जो आमतौर पर तेरह डिग्री सेल्सियस होता है। हालांकि, पात्र का निचला हिस्सा, जहाँ पाइप और यांत्रिक सील स्थित हैं, बहुत ठंडा, लगभग माइनस बाईस डिग्री सेल्सियस रखा जाना चाहिए। यदि निचला हिस्सा बहुत गर्म हो जाता है, तो वहां का तरल अपने आप उबलना शुरू कर सकता है, जिससे ऐसे बुलबुले बन सकते हैं जो डार्क मैटर संकेतों की तरह दिखते हैं लेकिन वास्तव में केवल थर्मल शोर होते हैं। शोधकर्ताओं ने इन दो विशिष्ट तापमान क्षेत्रों को बनाए रखने के लिए कूलिंग कॉइल्स और हीटिंग प्लेट्स का एक जटिल तंत्र बनाया, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि बुलबुले केवल सक्रिय क्षेत्र में ही बनें जहाँ कैमरे उन्हें देख सकें।
डिटेक्टर इन बुलबुलों पर नज़र रखने के लिए एक परिष्कृत प्रणाली से लैस है। चार हाई-स्पीड कैमरे चैंबर के चारों ओर लगे होते हैं, जो विभिन्न कोणों से तरल की तस्वीरें लेते हैं। जब एक बुलबुला बनता है, तो कैमरे उसके विकास को कैप्चर करते हैं, जिससे वैज्ञानिक सटीक रूप से गणना कर सकते हैं कि वह कहाँ हुआ और कितना बड़ा हुआ। कैमरों के साथ, मशीन बारह छोटे माइक्रोफोन का उपयोग करती है, जिन्हें पीज़ोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर (piezoelectric transducers) कहा जाता है, जो कांच के पात्र के बाहर दबे होते हैं। ये माइक्रोफोन बुलबुले के बनने की आवाज़ को सुनते हैं। विभिन्न प्रकार के कण अलग-अलग ध्वनियाँ उत्पन्न करते हैं; उदाहरण के लिए, अल्फा कण, जो बैकग्राउंड शोर का एक सामान्य स्रोत हैं, डार्क मैटर उम्मीदवार की शांत 'पॉप' ध्वनि की तुलना में एक विशिष्ट ध्वनिक हस्ताक्षर (acoustic signature) बनाते हैं। कैमरों से प्राप्त दृश्य डेटा को माइक्रोफोन से प्राप्त ध्वनि डेटा के साथ जोड़कर, टीम वास्तविक संकेत और गलत अलार्म के बीच अंतर कर सकती है।
शोधकर्ताओं ने दो मुख्य रन के साथ डिटेक्टर का परीक्षण किया। पहले, उन्होंने एक न्यूट्रॉन स्रोत का उपयोग करके एक कैलिब्रेशन टेस्ट चलाया ताकि उस तरह के टकराव का अनुकरण किया जा सके जिन्हें वे खोजने की उम्मीद करते हैं। बाद में, उन्होंने बिना किसी बाहरी स्रोत के एक लंबा कमीशनिंग पीरियड चलाया, बस यह देखने के लिए कि स्वाभाविक रूप से क्या होता है। इन परीक्षणों के दौरान, डिटेक्टर स्थिर रूप से संचालित हुआ, जिसने तरल में एकल बुलबुलों और बर्तन की दीवारों पर बनने वाले अनचाहे बुलबुलों या एक साथ कई बुलबुले बनने जैसे अनचाहे आयोजनों के बीच सफलतापूर्वक अंतर किया। टीम ने पाया कि नया डिज़ाइन प्रभावी रूप से उस बैकग्राउंड शोर को कम करता है जिसने पिछले संस्करणों को परेशान किया था। उन्होंने गणना की कि डिटेक्टर प्राकृतिक रेडियोधर्मिता या कॉस्मिक किरणों से बहुत कम गलत संकेत देखेगा, जिसमें मुख्य शेष बैकग्राउंड न्यूट्रिनो से जुड़े एक दुर्लभ संपर्क से अपेक्षित है, जो एक ऐसा उप-परमाणु कण है जिसे रोकना लगभग असंभव है।
हालांकि डिटेक्टर ने अभी तक डार्क मैटर कण नहीं खोजा है, लेकिन यह पेपर पुष्टि करता है कि नया डिज़ाइन इच्छित रूप से काम करता है। PICO-40L ने सफलतापूर्वक प्रदर्शित किया कि राइट-साइड-अप ज्यामिति विश्वसनीय रूप से कार्य कर सकती है, जिससे केंद्र में लक्ष्य तरल को सुपरहीटेड रखा जा सकता है जबकि प्लंबिंग को ठंडा और शांत रखा जा सकता है। यह सफलता प्रयोग के अगले चरण, एक बहुत बड़े डिटेक्टर, PICO-500 के लिए मार्ग प्रशस्त करती है, जो वर्तमान में निर्माणाधीन है। डार्क मैटर की खोज के लिए आवश्यक अत्यधिक संवेदनशीलता को संभालने में यह नया डिज़ाइन सक्षम है, यह सिद्ध करके, PICO सहयोग ने उस अदृश्य पदार्थ की खोज में एक बड़ी बाधा को पार कर लिया है जो हमारे ब्रह्मांड के अधिकांश पदार्थ का निर्माण करता है।
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