SuperCDMS SNOLAB हल्के डार्क मैटर की नई खोज शुरू करता है

कनाडा में भूमिगत एक प्रमुख डार्क मैटर डिटेक्टर चालू हो गया है

कण भौतिकी के सबसे नए प्रत्यक्ष-संवेदन प्रयोगों में से एक ने वैज्ञानिक संचालन शुरू कर दिया है, जो डार्क मैटर की पहचान के लंबे वैश्विक प्रयास में एक उल्लेखनीय कदम है। ओंटारियो के सडबरी के पास गहराई में भूमिगत स्थापित SuperCDMS SNOLAB ने उस चरण में प्रवेश कर लिया है जिसे परियोजना “प्रारंभिक विज्ञान” कहती है, यानी डिटेक्टर अब निर्माण और कमीशनिंग मोड में रहने के बजाय डेटा एकत्र कर रहे हैं।

संचालन की शुरुआत महत्वपूर्ण है, क्योंकि डार्क मैटर आधुनिक भौतिकी की सबसे बड़ी अनसुलझी समस्याओं में से एक बना हुआ है। खगोलविद और ब्रह्मांडविद आकाशगंगाओं के घूमने के तरीके, ब्रह्मांड में पदार्थ के समूह बनने और बड़े पैमाने पर गुरुत्वाकर्षण के व्यवहार के आधार पर इसके अस्तित्व का अनुमान लगाते हैं। फिर भी कोई भी प्रयोग उन कणों को निश्चित रूप से नहीं पकड़ पाया है, जिनसे यह गायब द्रव्यमान बना माना जाता है। SuperCDMS SNOLAB इस खोज को parameter space के उस हिस्से में आगे बढ़ाने के लिए बनाया गया है, जो विशेष रूप से कठिन साबित हुआ है: तथाकथित हल्का डार्क मैटर।

इस संदर्भ में, “हल्का” का अर्थ दिखने वाला या चमकीला नहीं है। यह उन काल्पनिक कणों को संदर्भित करता है जिनका द्रव्यमान पहले की खोजों में प्रमुख रहे अन्य डार्क मैटर उम्मीदवारों की तुलना में अपेक्षाकृत कम है। ऐसे हल्के कणों के सामान्य पदार्थ के साथ केवल बहुत कमजोर रूप से अंतःक्रिया करने की उम्मीद है, जिससे ऐसे फीके संकेत पैदा होंगे कि उन्हें देखने का कोई मौका पाने के लिए प्रयोगों को अत्यधिक shielding, अति-शीतल परिस्थितियों और अत्यधिक संवेदनशील readout systems को जोड़ना पड़ता है।

SNOLAB क्यों और अभी क्यों

SuperCDMS SNOLAB 2018 से पहले किए गए design work के बाद सक्रिय निर्माण में था। इसका नया संचालन चरण यह दर्शाता है कि प्रयोग तैयारी से मापन तक एक महत्वपूर्ण सीमा पार कर चुका है। शुरुआती योजना इसे तीन वर्षों तक चलाने की है, और यदि संचालन अच्छा रहा तो उस समयसीमा को बढ़ाने की संभावना है। व्यवहार में, “अच्छा” का अर्थ है कि डिटेक्टर स्थिर रहें, background कम रहे, और सहयोगी दल इतना साफ डेटा एकत्र कर सके कि हल्के डार्क मैटर के मॉडलों को पहले से अधिक संवेदनशीलता के साथ परखा जा सके।

यह प्रयोग SNOLAB में Vale Creighton mine के भीतर, लगभग 1.6 किलोमीटर भूमिगत स्थित है। यह स्थान संयोग से नहीं चुना गया है। डार्क मैटर डिटेक्टरों को सतह के नीचे इसलिए ले जाया जाता है ताकि cosmic rays और विकिरण के अन्य स्रोतों से बचाव हो सके, जो शोधकर्ताओं द्वारा अलग किए जाने वाले सूक्ष्म संकेतों की नकल कर सकते हैं। प्रयोग जितना गहरा होता है, आसपास की चट्टान उतना ही बाहर की दुनिया से आने वाले हस्तक्षेप को दबाने में मदद करती है।

वह भूमिगत वातावरण शीर्ष-स्तरीय डार्क मैटर खोजों की एक मानक विशेषता है, लेकिन SuperCDMS शून्य के निकट तापमानों पर काम करके एक और तकनीकी कठिनाई जोड़ता है। यह अत्यंत शीतलन आवश्यक है, क्योंकि प्रयोग ऐसे सूक्ष्म ऊर्जा जमा को खोजता है जो अन्यथा thermal noise में खो जाते। एक गर्म डिटेक्टर उस फुसफुसाहट को प्रभावी ढंग से डुबो देगा जिसे वह सुनने की कोशिश कर रहा है।

डिटेक्टर कैसे काम करता है

प्रयोग के केंद्र में सिलिकॉन और जर्मेनियम से बने 24 अति-शुद्ध crystal हैं, जिनमें से प्रत्येक लगभग हॉकी पक के आकार का है। यदि कोई डार्क मैटर कण इन crystals में से किसी एक से टकराए, तो वह दो तरह के प्रभाव पैदा कर सकता है: एक phonon, यानी crystal lattice में एक बहुत छोटी कंपन, और एक बहुत ही फीका विद्युत संकेत। दोनों का पता लगाना वैज्ञानिकों को संभावित कण अंतःक्रिया को सामान्य background घटनाओं से अलग करने में मदद करता है।

उन संकेतों को दर्ज करने के लिए, प्रत्येक crystal में superconducting sensors लगाए गए हैं। superconductivity बनाए रखने और डिटेक्टर को बहुत छोटे व्यवधानों पर प्रतिक्रिया देने देने के लिए इन सेंसरों को भी अत्यधिक ठंडा रखना पड़ता है। इसलिए पूरी व्यवस्था भ्रम के हर संभावित स्रोत को कम करने का एक अभ्यास है। शोधकर्ता सिर्फ कोई दुर्लभ चीज नहीं ढूंढ रहे हैं; वे ऐसी चीज की तलाश कर रहे हैं जिसकी अपेक्षित छाप बेहद सूक्ष्म है।

यह डिज़ाइन SuperCDMS को व्यापक डार्क मैटर खोज परिदृश्य में एक विशिष्ट भूमिका देता है। कुछ प्रयोग भारी उम्मीदवार कणों के लिए अनुकूलित होते हैं और सफलता की संभावना बढ़ाने के लिए बड़े target masses पर निर्भर करते हैं। इसके बजाय SuperCDMS का लक्ष्य हल्के उम्मीदवारों के प्रति विशेष रूप से संवेदनशील होना है, जो पदार्थ से टकराते समय बहुत कम ऊर्जा स्थानांतरित कर सकते हैं। यदि डार्क मैटर उस हल्के दायरे में है, तो भारी कणों के लिए tuned एक डिटेक्टर उसे पूरी तरह चूक सकता है।

सफलता का अर्थ क्या होगा

एक पुष्ट direct detection इस सदी की भौतिकी की सबसे महत्वपूर्ण उपलब्धियों में से एक होगी। यह डार्क मैटर की कण-प्रकृति का पहला प्रयोगात्मक प्रमाण देगी और ब्रह्मांड के उस घटक को समझने का रास्ता खोलेगी जो सामान्य पदार्थ से कहीं अधिक प्रतीत होता है। एक null result भी महत्वपूर्ण होगा। अधिक संभावनाओं को बाहर करके, SuperCDMS सैद्धांतिक मॉडलों को परिष्कृत करने और भविष्य के प्रयोगों को अधिक आशाजनक दिशाओं में ले जाने में मदद कर सकता है।

ऐसे शुरुआती विज्ञान मील के पत्थरों का व्यापक महत्व यही है। कण भौतिकी न केवल नाटकीय खोजों से, बल्कि व्यवस्थित संकुचन से भी आगे बढ़ती है। हर अच्छी तरह संचालित प्रयोग सावधानी से नियंत्रित परिस्थितियों में धारणाओं के एक सेट की परीक्षा लेता है। जब वे धारणाएँ विफल होती हैं, तो क्षेत्र को जानकारी मिलती है। जब कोई डिटेक्टर कुछ अप्रत्याशित देखता है, तो उसके निहितार्थ बहुत बड़े हो सकते हैं।

SuperCDMS ऐसे समय में संचालन शुरू कर रहा है जब डार्क मैटर शोध एक साथ परिपक्व भी है और अनसुलझा भी। दशकों की खोज ने डिटेक्टर संवेदनशीलता को काफी बढ़ाया है, लेकिन निश्चित संकेत की अनुपस्थिति ने वैज्ञानिकों को संभावनाओं की सीमा का विस्तार करने के लिए मजबूर किया है। इसमें कम-द्रव्यमान उम्मीदवार, वैकल्पिक अंतःक्रिया तंत्र और अधिक विशिष्ट डिटेक्टर तकनीकें शामिल हैं। इसलिए हल्के डार्क मैटर के लिए विशेष रूप से बनाई गई सुविधा का शुभारंभ स्थापित कार्यक्रम में एक और रन भर नहीं है। यह इस बात में एक रणनीतिक बदलाव का हिस्सा है कि क्षेत्र अपने सबसे कठिन प्रश्नों में से एक का पीछा कैसे कर रहा है।

अगले तीन वर्षों में किसी खोज की गारंटी नहीं है। डार्क मैटर इतने लंबे समय तक इसलिए नहीं पकड़ा गया क्योंकि ऐसा लगता है कि वह परिचित पदार्थ के साथ बहुत कमजोर, यदि कभी, अंतःक्रिया करता है। लेकिन SuperCDMS जैसे प्रयोग मूल्यवान हैं, क्योंकि वे सैद्धांतिक cosmological evidence को ठोस प्रयोगशाला परीक्षण में बदल देते हैं। वे पूछते हैं कि क्या ब्रह्मांड को आकार देने वाला अदृश्य द्रव्यमान पूर्ण शून्य के किनारे तक ठंडे किए गए एक crystal में सबसे हल्का निशान भी छोड़ सकता है।

अभी के लिए, महत्व शुरुआत में है। वर्षों के निर्माण, shielding कार्य और डिटेक्टर तैयारी के बाद, SuperCDMS SNOLAB ने उस प्रक्रिया को शुरू कर दिया है जिसके लिए इसे बनाया गया था: लगभग अगोचर घटना को सुनना, जो वास्तविक हुई तो ब्रह्मांड की हमारी समझ को बदल सकती है।

• वर्षों के निर्माण और सेटअप के बाद SuperCDMS SNOLAB ने शुरुआती विज्ञान चरण में प्रवेश किया है।
• यह डिटेक्टर अति-शीतल सिलिकॉन और जर्मेनियम crystals का उपयोग करके हल्के डार्क मैटर की खोज के लिए बनाया गया है।
• इसका भूमिगत स्थान और superconducting sensors शोर कम करने और बेहद फीके संकेत पकड़ने के लिए बनाए गए हैं।

यह लेख Universe Today की रिपोर्टिंग पर आधारित है। मूल लेख पढ़ें.