मोर्चा परिवर्तन: प्रोटॉन की एक धारा को पाँच मीटर मोटी कंक्रीट की दीवार में क्यों हराया

NITU MISiS, जो दो सर्न प्रयोगों (SHiP और LHCb) और रूस के एकमात्र विश्वविद्यालय में प्रत्यक्ष प्रतिभागी है, जिन्होंने परमाणु अनुसंधान के लिए यूरोपीय संगठन के साथ एक सहयोग समझौते पर हस्ताक्षर किए, साथ में सबसे अच्छे रूसी लोकप्रिय विज्ञान पोर्टल + + 1 का पता लगाया कि कैसे, क्यों और कौन CERN में वे नई भौतिकी की तलाश कर रहे हैं।

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लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर अपनी डिजाइन क्षमता और भौतिकी में हिग्स बोसोन की खोज के बाद, एक संकट उत्पन्न हो गया: कण भौतिकी का मुख्य सिद्धांत - मानक मॉडल - पूरा हो गया, इसकी भविष्यवाणियों से कोई महत्वपूर्ण विचलन नहीं मिला, और किसी ने इस सवाल का स्पष्ट जवाब नहीं दिया कि कहां जाना है। । वैज्ञानिकों को यह तय करना था कि एक नई भौतिकी, एक नया, अधिक सामान्य सिद्धांत कहां देखना है। इसके अलावा, सभी कम लटकने वाले फलों को लंबे समय तक बंद कर दिया गया है, किसी भी गंभीर प्रयोग में भारी निवेश की आवश्यकता होती है, और आज कौन इन खर्चों को आँख मूंदकर, सफलता की संभावना के मामूली संकेत के बिना जाएगा?

आप "सामने" को बदलने की कोशिश कर सकते हैं और ऐसी प्रक्रियाओं की तलाश कर सकते हैं जिनमें उच्च ऊर्जा की आवश्यकता न हो, लेकिन बहुत कम ही होती हैं। यही कारण है कि रूसी भौतिक विज्ञानी आंद्रेई गॉल्विन, जिन्होंने कई वर्षों तक सर्न में काम किया, और NUST MISiS, यांडेक्स और अन्य संगठनों के उनके सहयोगियों ने एक नई दिशा में खोज के लिए एक किफायती परियोजना के साथ आए।

एंड्रे गुलेटिन

SHiP प्रयोग में, वे अंधेरे कणों के साथ अज्ञात कणों के निशान की खोज करेंगे, चुंबकीय क्षेत्रों द्वारा फ़िल्टर किए गए SPS त्वरक से एक कण धारा में, कंक्रीट और धातु की पांच-मीटर परत। शायद बहुत बड़ी चमक - पैदा होने वाले कणों की एक बड़ी संख्या - हमें शक्तिशाली भौतिकविदों पर उच्च ऊर्जाओं की तुलना में तेजी से नई भौतिकी देखने की अनुमति देगा।

एसपीएस पर SHiP

“एलएचसी (बड़े हैड्रोन कोलाइडर) में उन्होंने सुपरसिमेट्री खोजने की कोशिश की। उसकी नहीं, दिखाई नहीं पड़ रही। और हम सभी जानते हैं कि हमें डार्क मैटर के लिए उम्मीदवारों की आवश्यकता है। दूसरी ओर, हम जानते हैं कि मानक मॉडल सही है। इसलिए, आप नए मॉडल को इस तरह से जोड़ना चाहते हैं जैसे कि स्टैंडर्ड मॉडल को खराब न करें। सबसे न्यूनतम परिदृश्य तथाकथित पोर्टल मॉडल है। उनमें, नए कणों को उन ऑपरेटरों का उपयोग करके वर्णित किया जाता है जो मानक मॉडल में पहले से मौजूद ऑपरेटर के साथ जुड़े होते हैं, बहुत छोटे से स्थिर के माध्यम से।

चूंकि न्यूट्रिनोस अन्य कणों के साथ बहुत कमजोर रूप से बातचीत करते हैं, इसलिए उनका पता लगाने की आवश्यकता होती है, सबसे पहले, कम शोर स्तर सुनिश्चित करने के लिए, बहुत से टकराव, और दूसरी बात। प्रयोग में प्रस्तावित कार्य के पांच साल के लिए एसपीएस सिंक्रोट्रॉन के उपयोग के कारण, शोर को कम करने के लिए लगभग 2 × 10 ^ 20 प्रोटॉन और मैग्नेट की एक विशेष रूप से विकसित प्रणाली का उपयोग करना संभव होगा।

“SHiP प्रयोगों को बीम-डंप प्रयोग कहा जाता है। उनमें आप कुछ नया देखना चाहते हैं और एक वॉल्यूम की व्यवस्था करते हैं जिसमें कुछ भी नहीं है। अगर आप कुछ देखते हैं, तो यह एक खोज है। लगभग 30-40 साल पहले, लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर द्वारा सभी को दूर किया गया था, और इस प्रकार के प्रयोगों ने बस करना बंद कर दिया था। इस समय, विशेष रूप से, एसपीएस में एक बहुत तीव्र बीम विकसित किया गया था। ठीक है, हमने महसूस किया कि अपेक्षाकृत कम पैसे के लिए आप जांच सकते हैं कि क्या ऐसे मॉडल हैं, ”आंद्रेई गुल्तिविन ने कहा।

लक्ष्य और डिटेक्टर डिजाइन

एसपीएस सिंक्रोट्रॉन से एक प्रोटॉन बीम को एक स्थिर लक्ष्य पर भेजने की योजना है, जिसकी मोटाई लगभग 120 सेंटीमीटर होगी। यह सभी प्रोटॉन को रोकने के लिए पर्याप्त है। लक्ष्य के नाभिक और इलेक्ट्रॉनों के साथ प्रोटॉन की बातचीत के दौरान, बड़ी संख्या में नए कण पैदा होंगे, जिसके बीच, काले पदार्थ के काल्पनिक कण हो सकते हैं।


SHiP प्रयोग की सामान्य रूपरेखा

लक्ष्य डिजाइन की जटिलता इस तथ्य में निहित है कि प्रत्येक सात सेकंड में इसे लगभग 3 × 10 ^ 13 प्रोटॉन को एक सेकंड के भीतर अवशोषित करना चाहिए, जिनमें से प्रत्येक में 400 गीगालेक्ट्रॉन-वोल्ट की ऊर्जा होती है। यह मेगावाट के क्रम के विद्युत उत्पादन से मेल खाती है (शिखर पर 2.5 मेगावाट तक)। 30 सेंटीमीटर के अनुप्रस्थ लक्ष्य आकार के साथ, इसका मतलब है कि इसके प्रत्येक वर्ग सेंटीमीटर से कई किलोवाट थर्मल ऊर्जा को हटाया जाना चाहिए।
इस समस्या का एक समाधान NUST "MISiS" में निपटाया गया था। लक्ष्य में 2.5 से 35 सेंटीमीटर की मोटाई के साथ धातु की परतों का एक सेट होगा। परतों के आधे एक कम घने TZM मोलिब्डेनम मिश्र धातु से बने होंगे, और शेष लक्ष्य टंगस्टन से बने होंगे।


दिमित्री कारपेनकोव

“अब इस लक्ष्य का एक मॉडल बनाया गया है। यह आवश्यक के रूप में आधा है। यह एक प्रोटोटाइप है। लेकिन इसमें प्लेटों की मोटाई पहले से ही मापी गई है, क्योंकि यहां मुख्य पैरामीटर इंटरेक्शन लंबाई है, क्योंकि हमें यह जानने की जरूरत है कि किस गहराई में कौन से कण पैदा होते हैं, ”MISiS के वरिष्ठ अनुसंधान साथी दिमित्री कारपेनकोव का कहना है। इस प्रोटोटाइप को कम प्रोटॉन फ्लक्स के साथ एसपीएस सिंक्रोट्रॉन पर परीक्षण किया जा रहा है। इन परीक्षणों का उद्देश्य बेहतर तरीके से यह समझना है कि पहले से ही ज्ञात कण क्या बातचीत की प्रक्रिया में पैदा हुए हैं ताकि उनसे डिटेक्टर की सुरक्षा में सुधार हो सके।

प्लेटों को ठंडा करने के लिए उनके बीच संकीर्ण अंतराल के माध्यम से पानी बहेगा। अनुमान है कि इसके लिए लगभग 50 लीटर पानी प्रति सेकंड या 180 टन प्रति घंटे की आवश्यकता होगी। पानी के क्वथनांक को 200 डिग्री सेल्सियस तक बढ़ाने के लिए, इसे 15 वायुमंडल के दबाव में आपूर्ति की जाएगी।

“लक्ष्य एक अपेक्षाकृत सरल संरचना है। यह अनिवार्य रूप से पतले धातु सिलेंडर का एक सेट है। लक्ष्य की शुरुआत में, पतले वाले का उपयोग किया जाता है, क्योंकि सबसे बड़ी गर्मी रिलीज होती है और तेजी से गर्मी को हटाने की आवश्यकता होती है। ये सिलेंडर मोलिब्डेनम से बने होते हैं, जिनका घनत्व टंगस्टन की तुलना में दो गुना कम होता है। अगर हम यहां टंगस्टन का उपयोग करते हैं, तो यह बस पिघल जाएगा, ”कारपेनकोव जारी है।

सभी परतों की मोटाई, साइड व्यू को लक्षित करते हुए आरेख

प्रयोग की मुख्य कठिनाई सबसे कम संभव पृष्ठभूमि शोर के साथ परिस्थितियों का निर्माण होगी। लक्ष्य के साथ प्रोटॉन प्रवाह की बातचीत के दौरान, ऊर्जावान कणों की बौछार बनेगी। उनमें से ज्यादातर पांच मीटर कंक्रीट से बंद हो जाएंगे। लेकिन इससे बाहर निकलने पर, म्यूऑन और न्यूट्रिनो कमजोर रूप से पदार्थ के साथ बातचीत कर रहे हैं।
मुख्य समस्या म्यून्स है। सौभाग्य से, ये आवेशित कण होते हैं जिन्हें मैग्नेट द्वारा विक्षेपित किया जा सकता है। कठिनाई इस तथ्य में निहित है कि म्यूऑन में बहुत अलग ऊर्जा हो सकती है, और जो अपेक्षाकृत धीमी गति से चलती हैं वे एक चुंबकीय क्षेत्र में एक पूर्ण क्रांति कर सकते हैं और डिटेक्टर पर लौट सकते हैं। इस तरह के कणों की संख्या को कम करने के लिए और एक ही समय में अपेक्षाकृत कम संख्या में मैग्नेट के साथ फैलाव, यैंडेक्स डेटा एनालिसिस स्कूल की भागीदारी के साथ NUST MISiS में उनके स्थान की एक विशेष व्यवस्था विकसित की गई थी।

यैंडेक्स के एक शोधकर्ता फेडर रतनिकोव के अनुसार, उन्हें जो काम हल करना था वह बहुत मुश्किल था: “अनुकूलन के परिणामस्वरूप, मैं बहुत अप्रत्याशित रूप से विन्यास और मैग्नेट की व्यवस्था कहूंगा। हमने मैग्नेट के द्रव्यमान को न्यूनतम करते हुए पृष्ठभूमि की कमी को वांछित स्तर तक अनुकूलित किया है। "

लक्ष्य डिजाइन की उपस्थिति

यांडेक्स-सर्न के प्रोजेक्ट मैनेजर एंड्रे उस्त्युज़ैनिन ने इन समस्याओं को हल करने के लिए तंत्रिका नेटवर्क के उपयोग के बारे में बात की: “इष्टतम सर्किट को खोजने के लिए मशीन सीखने के तरीकों का उपयोग किया गया था। हालाँकि, मानक तरीके इस मामले में अनुपयुक्त थे, इसलिए उन्हें काफी हद तक संशोधित करना पड़ा। ”

“तंत्रिका नेटवर्क के प्रशिक्षण के विपरीत, जो भविष्यवाणी त्रुटियों के ग्रेडिएंट का उपयोग करता है, जो आपको आसानी से इष्टतम कॉन्फ़िगरेशन तक पहुंचने की अनुमति देता है, यह यहां नहीं किया जा सकता है। इसलिए, आपको अनुकूलन विधियों पर भरोसा करना होगा जो ग्रेडिएंट्स पर निर्भर नहीं करते हैं, उदाहरण के लिए, बायेसियन अनुकूलन। हमने उन मुनियों को अधिक वजन प्रदान करके इस दृष्टिकोण का विस्तार किया है जो भविष्यवाणी की त्रुटि में अधिक योगदान देते हैं। इस दृष्टिकोण ने सबसे अच्छा समाधान खोजने में लगने वाले समय को काफी कम कर दिया है, ”एंड्री उस्त्युज़ानिन बताते हैं।

चुंबकीय प्रणाली के बाद, प्रायोगिक सेटअप का डिज़ाइन 50 मीटर लंबी एक क्रॉस-अनुभागीय आकार के साथ 5 × 6 मीटर के लिए प्रदान करता है। यहाँ अन्य कणों में भारी न्यूट्रिनो का एक काल्पनिक क्षय होगा।


चुंबक विन्यास

"एक कण] सभी कणों से मुक्त नहीं किया जा सकता है, क्योंकि साधारण न्यूट्रिनो हैं। वे किसी तरह किसी पदार्थ के साथ बातचीत करते हैं, इसलिए पहली बात यह है कि हवा को हटा दें ताकि साधारण न्यूट्रिनो इस हवा के साथ बातचीत न करें। यह जटिल इंजीनियरिंग संरचना एक निर्वात में होगी, ”आंद्रेई गॉल्विन कहते हैं।

सुरंग के अंत में, वास्तविक डिटेक्टरों को स्थित किया जाएगा, जिसका उद्देश्य काल्पनिक अंधेरे पदार्थ कणों के क्षय उत्पादों को रिकॉर्ड करना है। यह माना जाता है कि उनमें से कुछ सुरंगों में ज्ञात कणों की एक जोड़ी में विघटित हो जाएंगे, उदाहरण के लिए, म्यूऑन और पियोन, जो पंजीकृत होंगे।


उनके द्रव्यमान पर भारी न्यूट्रिनो की बंधन शक्ति की निर्भरता का एक चित्र। ग्रीन प्रयोगात्मक रूप से प्राप्त निम्न बाधाओं को इंगित करता है। ब्लू SHiP प्रयोग की अपेक्षित संवेदनशीलता है। ग्रे क्षेत्र सैद्धांतिक रूप से निषिद्ध है।

प्रयोग के लेखकों को उम्मीद है कि किए गए सभी उपायों से डिटेक्टर की संवेदनशीलता बढ़ जाएगी, जो अन्य प्रतिष्ठानों में हासिल की गई तुलना में हजारों गुना है। इसका मतलब है कि ऑपरेशन के पांच वर्षों में, सबसे अच्छे रूप में, कई हजार आवश्यक कण पंजीकृत होंगे, लेकिन यह अधिक संभावना है कि हम सिर्फ कुछ घटनाओं के बारे में बात करेंगे।

मामले में, यदि अवलोकन समय के दौरान अज्ञात कण नहीं मिले हैं, तो यह आगे की खोजों की सीमाओं को कम कर देगा। और इसके अलावा, एक ही डिटेक्टर पर खराब अध्ययन किए गए ताऊ न्यूट्रिनो का अध्ययन किया जाएगा। ये डेटा निश्चित रूप से न्यूट्रिनो के भौतिकी को बेहतर ढंग से समझने में मदद करेंगे और संभवत: वैज्ञानिकों को भविष्य में नई भौतिकी की तलाश करने के लिए नए विचारों का नेतृत्व करेंगे।