SuperCDMS SNOLAB हलक्या डार्क मॅटरसाठी नव्या शोधाला सुरुवात करते

कॅनडामध्ये भूमिगत एक मोठा डार्क मॅटर डिटेक्टर सुरू झाला आहे

कणभौतिकशास्त्रातील अलीकडील थेट-संवेदन प्रयोगांपैकी एकाने वैज्ञानिक कार्य सुरू केले आहे, ज्यामुळे डार्क मॅटर ओळखण्याच्या दीर्घ जागतिक प्रयत्नात एक उल्लेखनीय टप्पा गाठला आहे. ओंटारियोतील सडबरीजवळ खोल भूमिगत बसवलेले SuperCDMS SNOLAB प्रकल्प “प्रारंभिक विज्ञान” असे वर्णन करतो त्या टप्प्यात प्रवेश केले आहे, म्हणजेच डिटेक्टर आता बांधकाम आणि कमिशनिंग मोडमध्ये न राहता माहिती संकलित करत आहेत.

कार्य सुरू होणे महत्त्वाचे आहे, कारण डार्क मॅटर हा आधुनिक भौतिकशास्त्रातील सर्वात मोठ्या अनुत्तरित समस्यांपैकी एक आहे. खगोलशास्त्रज्ञ आणि विश्वशास्त्रज्ञ आकाशगंगा कशा फिरतात, विश्वभर पदार्थ कसा एकत्र होतो, आणि मोठ्या प्रमाणावर गुरुत्वाकर्षण कसे वागते यावरून त्याचे अस्तित्व गृहीत धरतात. तरीही, त्या हरवलेल्या वस्तुमानाचे घटक असावेत असे मानले जाणारे कण कोणत्याही प्रयोगाने निश्चितपणे पकडलेले नाहीत. SuperCDMS SNOLAB या शोधाला अशा parameter space च्या भागात ढकलण्यासाठी डिझाइन केले आहे, ज्याची तपासणी विशेषतः कठीण आहे: तथाकथित हलके डार्क मॅटर.

या संदर्भात, “हलके” याचा अर्थ दिसणारे किंवा तेजस्वी असा नाही. याचा अर्थ इतर डार्क मॅटर उमेदवारांच्या तुलनेत तुलनेने कमी वस्तुमान असलेले कल्पित कण. असे हलके कण सामान्य पदार्थाशी अतिशय कमजोरपणेच परस्परक्रिया करतील अशी अपेक्षा आहे, त्यामुळे तयार होणारे संकेत इतके क्षीण असतील की त्यांना पाहण्यासाठी प्रयोगांमध्ये अत्यंत shielding, अतिशय थंड परिस्थिती आणि अत्यंत संवेदनशील readout system यांचे संयोजन आवश्यक आहे.

SNOLAB का आणि आत्ताच का

SuperCDMS SNOLAB 2018 पासून पूर्वीच्या डिझाइन कामानंतर सक्रिय बांधकामात होते. त्याचा नवा operating phase म्हणजे प्रयोगाने तयारीपासून मोजमापापर्यंत एक महत्त्वाचा टप्पा ओलांडला आहे. सुरुवातीची योजना तीन वर्षे चालवण्याची आहे, आणि कामकाज चांगले चालल्यास तो कालावधी वाढवण्याची शक्यता आहे. प्रत्यक्षात, “चांगले चालणे” याचा अर्थ डिटेक्टर स्थिर राहणे, background कमी राहणे, आणि सहयोगी संघाला हलक्या डार्क मॅटर मॉडेल्सची अधिक संवेदनशीलतेने चाचणी घेण्यासाठी पुरेसा स्वच्छ डेटा जमा करणे.

हा प्रयोग SNOLAB मध्ये, Vale Creighton mine च्या आत, सुमारे 1.6 किलोमीटर भूमिगत आहे. ती जागा योगायोगाने निवडलेली नाही. डार्क मॅटर डिटेक्टर पृथ्वीच्या पृष्ठभागाखाली नेले जातात, जेणेकरून cosmic rays आणि इतर विकिरण स्रोतांपासून संरक्षण मिळेल, जे संशोधक वेगळे करण्याचा प्रयत्न करत असलेल्या सूक्ष्म संकेतांची नक्कल करू शकतात. प्रयोग जितका खोल, तितकी आजूबाजूची खडकबांधणी बाहेरील जगातून येणारा व्यत्यय कमी करण्यात मदत करते.

तो भूमिगत परिसर शीर्ष-स्तरीय डार्क मॅटर शोधांचा एक मानक भाग आहे, पण SuperCDMS पूर्ण शून्याजवळील तापमानांवर काम करून आणखी एक तांत्रिक कठीणाई वाढवतो. ही अतिथंड अवस्था आवश्यक आहे, कारण प्रयोग अत्यंत सूक्ष्म ऊर्जा साठ्यांचा शोध घेतो जे अन्यथा thermal noise मध्ये हरवतील. उबदार डिटेक्टर प्रत्यक्षात ज्या कुजबुजीकडे तो कान देत आहे, तीच बुडवून टाकेल.

डिटेक्टर कसा काम करतो

या प्रयोगाच्या केंद्रस्थानी सिलिकॉन आणि जर्मेनियमपासून बनवलेले 24 अतिशुद्ध crystal आहेत, प्रत्येकी हॉकी पकच्या आकाराइतके. एखादा डार्क मॅटर कण या स्फटिकांपैकी एखाद्यावर आदळला तर तो दोन प्रकारचे परिणाम निर्माण करू शकतो: phonon, म्हणजे स्फटिक जाळ्यातील अतिसूक्ष्म कंप, आणि अतिशय क्षीण विद्युत संकेत. दोन्ही ओळखल्याने संभाव्य कण परस्परक्रियेला सामान्य background घटनांपासून वेगळे करण्यात वैज्ञानिकांना मदत होते.

ते संकेत नोंदवण्यासाठी प्रत्येक crystal मध्ये superconducting sensors बसवले आहेत. superconductivity टिकून राहण्यासाठी आणि डिटेक्टर अतिशय लहान व्यत्ययांना प्रतिसाद देण्यासाठी हे सेन्सर्सही अत्यंत थंड ठेवावे लागतात. त्यामुळे संपूर्ण मांडणी गोंधळ निर्माण करू शकणाऱ्या प्रत्येक शक्य स्रोताला कमी करण्याचा सराव ठरते. संशोधक केवळ काहीतरी दुर्मिळ शोधत नाहीत; ते अशा गोष्टीचा शोध घेत आहेत ज्याचा अपेक्षित ठसा अत्यंत सूक्ष्म आहे.

ही रचना SuperCDMS ला व्यापक डार्क मॅटर शोधपरिसरात विशिष्ट भूमिका देते. काही प्रयोग जड उमेदवार कणांसाठी अनुकूलित असतात आणि जास्त target mass वापरून शक्यता वाढवतात. SuperCDMS मात्र हलक्या उमेदवारांसाठी विशेष संवेदनशील होण्याचे उद्दिष्ट ठेवते, कारण ते पदार्थाशी धडकताना खूपच कमी ऊर्जा हस्तांतरित करू शकतात. डार्क मॅटर त्या हलक्या श्रेणीत असेल, तर जड कणांसाठी tune केलेला डिटेक्टर ते पूर्णपणे चुकवू शकतो.

यशाचा अर्थ काय

पुष्टी झालेला direct detection हा या शतकातील भौतिकशास्त्रातील सर्वात महत्त्वाच्या निकालांपैकी एक असेल. तो डार्क मॅटरच्या कणस्वरूपाचा पहिला प्रयोगात्मक पुरावा देईल आणि सामान्य पदार्थापेक्षा खूपच जास्त असलेला विश्वाचा घटक समजून घेण्याचा मार्ग उघडेल. अगदी null result देखील महत्त्वाचा आहे. अधिक शक्यता बाद करून, SuperCDMS सैद्धांतिक मॉडेल्स अधिक नेमके करण्यास आणि भविष्यातील प्रयोगांना अधिक आशादायक क्षेत्रांकडे वळविण्यास मदत करू शकते.

अशा प्रारंभिक विज्ञान टप्प्यांचे व्यापक महत्त्व हेच आहे. कणभौतिकशास्त्र केवळ नाट्यमय शोधांमुळे नाही, तर पद्धतशीर मर्यादांकनामुळेही पुढे जाते. प्रत्येक चांगल्या प्रकारे चालवलेला प्रयोग काळजीपूर्वक नियंत्रित परिस्थितीत गृहितकांचा एक संच तपासतो. ती गृहितके अपयशी ठरल्यास, क्षेत्राला माहिती मिळते. डिटेक्टरने अनपेक्षित काही पाहिले, तर त्याचे परिणाम प्रचंड असू शकतात.

डार्क मॅटर संशोधन एकाच वेळी प्रौढ आणि अजूनही अनिश्चित असलेल्या काळात SuperCDMS कार्य सुरू करत आहे. दशकानुदशकांच्या शोधामुळे डिटेक्टर संवेदनशीलता लक्षणीयरीत्या वाढली आहे, पण निश्चित संकेताच्या अनुपस्थितीमुळे शास्त्रज्ञांना शक्यतांचा पट विस्तारावा लागला आहे. त्यात कमी वस्तुमानाचे उमेदवार, पर्यायी परस्परक्रिया यंत्रणा, आणि अधिक विशेषीकृत डिटेक्टर तंत्रज्ञान यांचा समावेश आहे. त्यामुळे हलक्या डार्क मॅटरसाठी उद्देशाने उभारलेल्या सुविधेचा प्रारंभ हा केवळ स्थिर कार्यक्रमातील आणखी एक रन नाही. तो क्षेत्र आपल्या सर्वात कठीण प्रश्नांपैकी एक कसा हाताळत आहे, यामधील रणनीतिक बदलाचा भाग आहे.

पुढील तीन वर्षे शोध देणार याची हमी नाही. डार्क मॅटर इतका काळ सापडलेला नाही, कारण तो परिचित पदार्थाशी फारच क्षीण, किंवा अजिबातच, परस्परक्रिया करताना दिसतो. पण SuperCDMS सारखे प्रयोग मौल्यवान आहेत, कारण ते अमूर्त cosmological evidence ला प्रत्यक्ष प्रयोगशाळेतील चाचणीत रूपांतरित करतात. ते विचारतात की, विश्वाला आकार देणारे अदृश्य वस्तुमान पूर्ण शून्याच्या उंबरठ्यावर थंड केलेल्या स्फटिकात किमान अत्यंत क्षीण ठसा तरी सोडू शकते का.

आत्तासाठी, महत्त्व सुरुवातीमध्ये आहे. अनेक वर्षांच्या बांधकाम, shielding काम आणि डिटेक्टर तयारीनंतर, SuperCDMS SNOLAB ने ज्या प्रक्रियेसाठी ते उभारले गेले होते ती सुरू केली आहे: जवळजवळ न जाणवणाऱ्या घटनेचे ऐकणे, जी खरी ठरली तर विश्वाबद्दलची आपली समज बदलू शकते.

• अनेक वर्षांच्या बांधकाम आणि सेटअपनंतर SuperCDMS SNOLAB ने प्रारंभिक विज्ञान टप्प्यात प्रवेश केला आहे.
• हा डिटेक्टर अतिथंड सिलिकॉन आणि जर्मेनियम crystal वापरून हलक्या डार्क मॅटरचा शोध घेतो.
• त्याचे भूमिगत स्थान आणि superconducting sensors आवाज कमी करून अत्यंत क्षीण संकेत पकडण्यासाठी डिझाइन केले आहेत.

हा लेख Universe Today च्या वार्तांकनावर आधारित आहे. मूळ लेख वाचा.