First demonstration of long-distance electron drift in liquid xenon with the Xenoscope time projection chamber
ज़्यूरिख विश्वविद्यालय में ज़ेनोस्कोप (Xenoscope) प्रयोग ने कॉस्मिक-म्यूऑन-प्रेरित संकेतों का उपयोग करके लिक्विड जेनन में 2.6 मीटर की लंबी दूरी तक इलेक्ट्रॉन ड्रिफ्ट को सफलतापूर्वक प्रदर्शित किया, जिससे सटीक वेग माप और अगली पीढ़ी के बड़े पैमाने के लिक्विड-जेनन टाइम प्रोजेक्शन चैंबर्स के विकास के लिए एक महत्वपूर्ण बेंचमार्क प्राप्त हुआ।
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पृथ्वी की सतह के बहुत नीचे, उस शांत अंधेरे में जहाँ प्रकाश नहीं पहुँच सकता, भौतिक विज्ञानी उस अदृश्य पदार्थ की खोज कर रहे हैं जो ब्रह्मांड के अधिकांश हिस्से को बनाता है। वे इसे डार्क मैटर (dark matter) कहते हैं, और इसे खोजने के लिए, उन्हें ऐसे डिटेक्टरों की आवश्यकता है जो अविश्वसनीय रूप से विशाल और अत्यंत संवेदनशील हों। इस काम के लिए सबसे आशाजनक उपकरणों में से एक लिक्विड जेनन (liquid xenon) से भरा हुआ टैंक है, जो एक भारी, उत्कृष्ट गैस है जिसे तब तक ठंडा किया जाता है जब तक कि वह तरल में न बदल जाए। जब अंतरिक्ष से आने वाला कोई कण या स्वयं डार्क मैटर का कोई कण इस तरल में मौजूद किसी परमाणु से टकराता है, तो यह प्रकाश की एक सूक्ष्म चमक पैदा करता है और कुछ इलेक्ट्रॉनों को बाहर निकाल देता है। ये इलेक्ट्रॉन ही मुख्य कुंजी हैं। यदि वैज्ञानिक इन इलेक्ट्रॉनों को पकड़ सकें और यह माप सकें कि उन्हें तरल के माध्यम से यात्रा करने में कितना समय लगता है, तो वे सटीक रूप से पता लगा सकते हैं कि टक्कर कहाँ हुई थी। लेकिन अगली पीढ़ी के इन विशाल डिटेक्टरों के लिए, जिनमें दर्जनों टन लिक्विड जेनन होगा, इलेक्ट्रॉनों को पहले की तुलना में कहीं अधिक दूरी तय करनी होगी। बड़ा सवाल यह है कि क्या वे तरल में अशुद्धियों द्वारा खो जाने या अवशोषित होने के बिना कई मीटर की यात्रा कर पाएंगे।
ज़्यूरिख विश्वविद्यालय में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस प्रश्न का उत्तर देने के लिए 'ज़ेनोस्कोप' (Xenoscope) नामक एक विशेष उपकरण बनाया। यह 2.6 मीटर ऊँचा लिक्विड जेनन से भरा एक लंबा, ऊर्ध्वाधर सिलेंडर है। यह ऊँचाई महत्वपूर्ण है क्योंकि यह अगले दशक में नियोजित भविष्य के विशाल डिटेक्टरों के पैमाने से मेल खाती है। शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि क्या इलेक्ट्रॉन इस टैंक के निचले हिस्से से ऊपरी हिस्से तक बिना गायब हुए पूरी यात्रा कर सकते हैं। ऐसा करने के लिए, उन्होंने कणों को बनाने के लिए किसी मशीन का उपयोग नहीं किया; इसके बजाय, उन्होंने प्रकृति का ही उपयोग किया। वे कॉस्मिक किरणों, विशेष रूपकर म्यूऑन्स (muons) का इंतज़ार करते रहे, जो उच्च-ऊर्जा वाले कण हैं जो तब बनते हैं जब अंतरिक्ष से आने वाले कण वायुमंडल से टकराते हैं। ये म्यूऑन्स लगातार पृथ्वी पर बरसते हैं, जो इमारत और टैंक के बिल्कुल आर-पार निकल जाते हैं। जब एक म्यूऑन लिक्विड जेनन के बीच से गुजरता है, तो वह आयनीकरण (ionization) की एक लकीर छोड़ जाता है, जिससे उसके मार्ग में इलेक्ट्रॉन बाहर निकल आते हैं।
टीम ने इन म्यूऑन्स को पकड़ने के लिए एक प्रणाली स्थापित की जैसे ही वे टैंक में प्रवेश करते हैं। उन्होंने बाहरी कंटेनर के विपरीत दिशाओं में दो प्लास्टिक पैनल लगाए, जो एक विशिष्ट, उथले कोण पर म्यूऑन्स के गुजरने का पता लगाने के लिए ट्यून किए गए थे। जब दोनों पैनलों ने एक ही समय में एक म्यूऑन को देखा, तो उन्होंने टाइमर शुरू करने के लिए एक सिग्नल भेजा। इसने शोधकर्ताओं को एक सटीक शुरुआती बिंदु दिया। इसके बाद उन्होंने टैंक के ऊपरी हिस्से की निगरानी की, जहाँ प्रकाश सेंसरों का एक ग्रिड म्यूऑन के पथ से ऊपर की ओर बढ़ते इलेक्ट्रॉनों को पकड़ने के लिए तैयार बैठा था। इलेक्ट्रॉनों को, एक इलेक्ट्रिक फील्ड द्वारा धकेले जाने पर, तरल के माध्यम से ऊपर की ओर यात्रा करनी होती है। जब वे शीर्ष पर पहुँचते हैं, तो उन्हें एक गैस परत में खींचा जाता है, जहाँ वे प्रकाश की एक दूसरी, विलंबित चमक पैदा करते हैं। म्यूऑन के आगमन और इस दूसरी चमक के बीच के समय को मापकर, टीम यह गणना कर सकती थी कि इलेक्ट्रॉन कितनी तेज़ी से चल रहे थे और क्या वे पूरी दूरी तय कर पाए।
प्रयोग सफल रहा। शोधकर्ताओं ने सफलतापूर्वक उन इलेक्ट्रॉनों का पता लगाया जिन्होंने टैंक की पूरी 2.6 मीटर की लंबाई तय की। उन्होंने पाया कि इलेक्ट्रॉन गायब नहीं हुए; वे लंबी यात्रा में जीवित रहे। सिग्नलों के समय का विश्लेषण करके, उन्होंने दो अलग-अलग स्थितियों के तहत इलेक्ट्रॉनों की गति को मापा। एक सेटिंग पर, इलेक्ट्रॉन 1.320 मिलीमीटर प्रति माइक्रोसेकंड की गति से चले। थोड़े अधिक शक्तिशाली इलेक्ट्रिक पुश (धक्के) पर, उनकी गति बढ़कर 1.436 मिलीमीटर प्रति माइक्रोसेकंड हो गई। ये माप बहुत सटीक हैं, जिनमें त्रुटि की बहुत कम गुंजाइश है, और वे पुष्टि करते हैं कि टैंक में मौजूद लिक्विड जेनन इतना शुद्ध था कि चार्ज मीटर-स्केल की इन दूरियों तक यात्रा कर सके।
यह परिणाम इस क्षेत्र के लिए एक महत्वपूर्ण कदम है। यह सिद्ध करता है कि अगली पीढ़ी के डार्क मैटर डिटेक्टरों को बनाने के लिए आवश्यक तकनीक व्यवहार्य है। यदि इलेक्ट्रॉन इतनी लंबी दूरी तक यात्रा करने में जीवित नहीं रह पाते, तो भविष्य के लिए नियोजित विशाल टैंक अपने उद्देश्य के अनुसार काम नहीं कर पाते। शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि हालांकि उन्होंने इलेक्ट्रॉनों को सफलतापूर्वक ट्रैक किया, लेकिन म्यूऑन से निकलने वाली प्रारंभिक प्रकाश की चमक उनके सेटअप में स्पष्ट रूप से देखी नहीं जा सकी, जो टैंक के भीतर परावर्तक सामग्री (reflective material) की कमी के कारण हुई एक सीमा थी। हालाँकि, मुख्य लक्ष्य प्राप्त कर लिया गया था: उन्होंने प्रदर्शित किया कि इतनी लंबी दूरी पर चार्ज ट्रांसपोर्ट संभव और मापने योग्य है।
टीम ने अपने निष्कर्षों की तुलना छोटे टैंकों या अलग तापमान पर लिए गए पिछले मापों से भी की। उनका नया डेटा पहले से ज्ञात तथ्यों के साथ अच्छी तरह मेल खाता है, लेकिन यह अनिश्चितता की सीमा को बहुत बड़े पैमाने तक बढ़ाता है। यह आगामी वेधशालाओं के डिजाइनरों को विश्वास देता है, जिनका लक्ष्य 80 टन तक लिक्विड जेनन को समाहित करना है। ज़ेनोस्कोप की सफलता का अर्थ है कि भौतिकी समुदाय इन विशाल उपकरणों के डिज़ाइन के साथ आगे बढ़ सकता है, यह जानते हुए कि इलेक्ट्रॉन उम्मीद के मुताबिक व्यवहार करेंगे, भले ही उन्हें दो मीटर से अधिक की यात्रा करनी पड़े। इस प्रयोग ने स्वयं डार्क मैटर की खोज नहीं की, लेकिन इसने एक बड़ी बाधा को पार कर लिया, यह दिखाते हुए कि इसे खोजने का रास्ता खुला है।
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