स्विस देहात के नीचे, 1970 के दशक से चली आ रही लगभग चार मील लंबी मशीनरी की एक रिंग के अंदर, भौतिक विज्ञानी कुछ ऐसी चीज़ों का पीछा कर रहे हैं जिन्हें वे देख नहीं सकते, माप नहीं सकते, और पूरी तरह से समझा नहीं सकते। यह केवल परिणामों में दिखाई दिया: कण अपने रास्ते से भटक गए, किरणों का अप्रत्याशित रूप से क्षरण हुआ, प्रयोगों का अपने लक्ष्य से उस तरह से कम होना जिस तरह से सिद्धांत ने भविष्यवाणी की थी लेकिन कोई भी सीधे तौर पर निरीक्षण नहीं कर सका। दो दशकों से अधिक समय से, सीईआरएन और डार्मस्टेड में जीएसआई हेल्महोल्ट्ज़ सेंटर फॉर हैवी आयन रिसर्च के शोधकर्ताओं को संदेह था कि अपराधी सुपर प्रोटॉन सिंक्रोट्रॉन के अंदर छिपी एक विशेष प्रकार की अनुनाद संरचना थी, जो चार-आयामी चरण स्थान में संचालित एक युग्मित, गैर-रेखीय व्यवधान था, जो मानक माप विधियों के लिए अदृश्य था और अलग करना बहुत मुश्किल था। मार्च 2024 में, तीन भौतिकविदों की एक टीम ने आखिरकार वह कर दिखाया जो पहले किसी ने नहीं किया था: उन्होंने इसका मानचित्रण किया। परिणाम, में प्रकाशित प्रकृति भौतिकीदशकों के सिद्धांत की पुष्टि की, संरचना को एक मापने योग्य आकार दिया, और उच्च-ऊर्जा कण भौतिकी में सबसे लगातार इंजीनियरिंग समस्याओं में से एक को हल करने की दिशा में एक रास्ता खोला। यह, आपके दृष्टिकोण पर निर्भर करता है, या तो एक बहुत लंबी खोज का अंत है या काम की एक पूरी तरह से नई दिशा की शुरुआत है।
सुपर प्रोटॉन सिंक्रोट्रॉन वास्तव में क्या है और इसका भूत एलएचसी के लिए क्यों मायने रखता है
सुपर प्रोटॉन सिंक्रोट्रॉन, जिसे एसपीएस के नाम से जाना जाता है, लगभग चार मील की दूरी पर एक रिंग है जो 1970 के दशक से स्विट्जरलैंड में सीईआरएन में संचालित हो रही है। यह सुनने में भले ही प्राचीन लगे, लेकिन यह सुविधा आधुनिक भौतिकी का केंद्र बनी हुई है। यह CERN कॉम्प्लेक्स में दूसरा सबसे बड़ा त्वरक है और एक ऐसी भूमिका निभाता है जो इसे पूरे ऑपरेशन के लिए अपरिहार्य बनाता है: यह अंतिम इंजेक्शन चरण के रूप में कार्य करता है जो कण बीम को सीधे लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर में फ़ीड करता है। जो कुछ भी एसपीएस के अंदर बीम की गुणवत्ता को प्रभावित करता है वह भौतिकी की गुणवत्ता को प्रभावित करता है जिसे डाउनस्ट्रीम में किया जा सकता है। अधिकारी के मुताबिक सर्न प्रेस विज्ञप्तिपरिणाम सीईआरएन में एलएचसी इंजेक्टर और जीएसआई में एसआईएस18/एसआईएस100 सुविधा के लिए कम-ऊर्जा और उच्च-चमक वाले बीम के लिए बीम गुणवत्ता में सुधार करने में मदद करेंगे, साथ ही एलएचसी और भविष्य के उच्च-ऊर्जा कोलाइडर जैसे बड़े चमक वाले उच्च-ऊर्जा बीम के लिए भी। मशीन में भूत, दूसरे शब्दों में, केवल एक जिज्ञासा नहीं थी; यह उन किरणों को ख़राब कर रहा था जिन पर भौतिक विज्ञानी पदार्थ की मूलभूत संरचना का अध्ययन करने के लिए निर्भर करते हैं।
प्रतिध्वनि क्या है, और यह कण त्वरक के अंदर एक समस्या क्यों बन जाती है
अनुनाद शब्द रोजमर्रा के अनुभव से काफी परिचित है, लेकिन कण त्वरक के अंदर इसका व्यवहार काफी कम क्षमाशील है। जब आप कॉफी का पूरा कप लेकर अपने डेस्क पर वापस जाते हैं, तो प्रत्येक कदम पर तरल के माध्यम से तरंगें भेजी जाती हैं; वे तरंगें अंततः मिलती हैं और रिम पर फैल जाती हैं। ट्रैम्पोलिन पर, एक जंपर दूसरे की छलांग की अवशिष्ट ऊर्जा को पकड़ सकता है और अपेक्षा से कहीं अधिक ऊंचा लॉन्च किया जा सकता है। एसपीएस के अंदर, वही सिद्धांत प्रकाश की गति के करीब यात्रा करने वाले कण किरणों पर काम करता है। वे चुम्बक जो उन किरणों को उनके वृत्ताकार पथ पर रखते हैं, पूर्णतः एक समान नहीं होते हैं; छोटी-छोटी खामियाँ समय-समय पर गड़बड़ी उत्पन्न करती हैं, और जब वे गड़बड़ी कणों की प्राकृतिक दोलन आवृत्तियों के साथ समन्वयित हो जाती हैं, तो परिणाम अनुनाद होता है। जर्मनी में जीएसआई के भौतिक विज्ञानी गिउलिआनो फ्रैंचेटी ने कहा, “इन अनुनादों के साथ, क्या होता है कि कण बिल्कुल उस पथ का पालन नहीं करते हैं जो हम चाहते हैं और फिर उड़ जाते हैं और खो जाते हैं।” पर्याप्त तीव्रता पर, यह किरण हानि केवल एक असुविधा नहीं है, यह मशीन क्या कर सकती है, इसकी एक मौलिक सीमा है।
उस अनुनाद संरचना को मापने में दो दशक क्यों लग गए जिसकी सिद्धांत ने हमेशा भविष्यवाणी की थी
इसका कारण खोजने का विचार 2002 में सामने आया, जब जीएसआई और सीईआरएन के वैज्ञानिकों ने महसूस किया कि जैसे-जैसे त्वरक उच्च बीम तीव्रता पर जोर देते हैं, कण हानि बढ़ जाती है। सीईआरएन के वैज्ञानिक और पेपर के लेखकों में से एक हेंस बार्टोसिक ने कहा, “यह सहयोग यह समझने की आवश्यकता से आया कि इन मशीनों को क्या सीमित कर रहा है ताकि हम भविष्य के लिए आवश्यक बीम प्रदर्शन और तीव्रता प्रदान कर सकें।” चुनौती यह नहीं थी कि सैद्धांतिक सिमुलेशन ने वर्षों से इस विशेष अनुनाद संरचना के अस्तित्व की ओर इशारा किया था। चुनौती प्रायोगिक थी. अनुनाद उस चीज़ में संचालित होता है जिसे भौतिक विज्ञानी चार-आयामी चरण स्थान कहते हैं, जिसका अर्थ है कि इसे एक ही विमान में कण गति को मापकर नहीं पकड़ा जा सकता है। फ्रैंचेटी ने कहा, “त्वरक भौतिकी में, सोच अक्सर केवल एक ही स्तर पर होती है।” सीईआरएन के और पेपर के सह-लेखक फ्रैंक श्मिट ने कहा, “बीम स्थिरता पर अनुनादों के प्रभाव को समझने के लिए बड़ी त्वरक टीमों द्वारा एक विशाल सिमुलेशन प्रयास की आवश्यकता थी।” प्रयोगात्मक रूप से संरचना को देखने के लिए एक विधि तैयार करना, जिसने हजारों बीम मार्गों में क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर कण गति को एक साथ मापा, इसे विकसित करने में वर्षों का काम लगा।
आख़िरकार टीम ने सुपर प्रोटोन सिंक्रोट्रॉन के अंदर 4डी भूत की मैपिंग कैसे की
यह मापने के लिए कि प्रतिध्वनि कण गति को कैसे प्रभावित करती है, वैज्ञानिकों ने एसपीएस के चारों ओर बीम स्थिति मॉनिटर का उपयोग किया। लगभग 3,000 से अधिक बीम मार्गों पर, मॉनिटर ने मापा कि क्या बीम में कण क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर दोनों विमानों में केंद्रित थे या एक तरफ अधिक थे। उन मापों के डेटा का उपयोग उस निर्माण के लिए किया गया था जिसे भौतिक विज्ञानी खंड की पोंकारे सतह कहते हैं, एक गणितीय उपकरण जो एक आवधिक प्रणाली के माध्यम से एक कण की गति की मुख्य विशेषताओं को पकड़ता है। इस सतह से गुजरने वाला कोई भी गुंजयमान कण चार-आयामी अंतरिक्ष में एम्बेडेड एक वक्र का पता लगाता है, जो त्वरक को परेशान करने वाले अनुनाद का एक नक्शा तैयार करता है। उन मापों से जो संरचना उभरी, वह सिद्धांत और सिमुलेशन की भविष्यवाणी से मेल खाती है, यह पुष्टि करती है कि दशकों के मॉडलिंग हमेशा सही दिशा में इशारा कर रहे थे। बार्टोसिक ने कहा, “जो बात हमारी हालिया खोज को इतना खास बनाती है वह यह दिखाती है कि व्यक्तिगत कण युग्मित अनुनाद में कैसे व्यवहार करते हैं।” “हम प्रदर्शित कर सकते हैं कि प्रयोगात्मक निष्कर्ष सिद्धांत और अनुकरण के आधार पर की गई भविष्यवाणी से सहमत हैं।”
कण भौतिकी के भविष्य के लिए इस युग्मित अनुनाद संरचना की खोज का क्या अर्थ है
भूत का मानचित्रण करना उसे हटाने के समान नहीं है, और शोधकर्ता स्पष्ट हैं कि आगे महत्वपूर्ण कार्य बाकी है। फ्रैंचेटी ने कहा, “हम यह वर्णन करने के लिए एक सिद्धांत विकसित कर रहे हैं कि कण इन अनुनादों की उपस्थिति में कैसे चलते हैं।” “इस अध्ययन के साथ, पिछले सभी अध्ययनों के साथ, हमें उम्मीद है कि हमें वर्तमान और भविष्य के त्वरक के लिए इन अनुनादों के प्रभाव से बचने या कम करने के बारे में सुराग मिलेंगे।” व्यावहारिक निहितार्थ सीईआरएन से भी आगे तक फैले हुए हैं। प्रोटॉन बीम को स्थिर करने के लिए उपयोग किए जा रहे गणितीय उपकरण अब फ्यूजन इंजीनियरों को चुंबकीय पिंजरे डिजाइन करने में मदद कर रहे हैं जो प्लाज्मा व्यवधान को रोकते हैं, कण भौतिकी से ज्ञान का सीधा हस्तांतरण स्वच्छ ऊर्जा अनुसंधान में सबसे महत्वपूर्ण इंजीनियरिंग चुनौतियों में से एक है। सीईआरएन के लिए, तत्काल प्राथमिकता शमन रणनीतियों को विकसित करना है जो एसपीएस के अंदर बीम क्षरण को कम करती है, एलएचसी में खिलाए गए बीम की गुणवत्ता में सुधार करती है और उच्च-ऊर्जा कोलाइडर की अगली पीढ़ी के लिए आधार तैयार करती है। बीस वर्षों के बाद, भूत के पास एक आकार और निर्देशांक का एक सेट होता है। आगे क्या होता है यह इंजीनियरिंग का मामला है।
