બ્રહ્માંડના રહસ્યો ઉકેલતો 'ટાઈમ મશીન' કેમેરા: ટાઈમ પ્રોજેક્શન ચેમ્બરની અદભૂત ટેકનોલોજી અને કાર્યશૈલી

જ્યારે આપણે લાર્જ હેડ્રોન કોલાઈડર (Large Hadron Collider) જેવી વિશાળ વૈજ્ઞાનિક પ્રયોગશાળાઓ વિશે વિચારીએ છીએ, ત્યારે આપણી નજર સામે મોટા ટનલ અને ચુંબકોના ચિત્રો ઉપસે છે. પરંતુ આ પ્રયોગોનું અસલી હૃદય તે ડિટેક્ટર્સ છે જે પરમાણુના પેટાળમાં રહેલા કણોની ગતિવિધિઓને પકડે છે. આ ડિટેક્ટર્સમાં સૌથી મહત્વનું અંગ છે ટાઈમ પ્રોજેક્શન ચેમ્બર (Time Projection Chamber - TPC). તે એક એવું સાધન છે જે વીજ ક્ષેત્ર (electric field) અને ચુંબકીય ક્ષેત્ર (magnetic field) ના મિશ્રણનો ઉપયોગ કરીને કણોના માર્ગનું ત્રિ-પરિમાણીય (3D) પુનઃનિર્માણ કરે છે. વિકિપીડિયાના અહેવાલ મુજબ, આ ટેકનોલોજી ભૌતિકશાસ્ત્રમાં કણોની અથડામણ પછી પેદા થતા હજારો ટુકડાઓને ઓળખવા માટે અનિવાર્ય છે.

ટાઈમ પ્રોજેક્શન ચેમ્બરની શોધનો ઇતિહાસ ઘણો રસપ્રદ છે. આ ખ્યાલ સૌપ્રથમ ૧૯૭૪ માં અમેરિકન ભૌતિકશાસ્ત્રી ડેવિડ આર. નાયગ્રેન (David R. Nygren) દ્વારા રજૂ કરવામાં આવ્યો હતો. તેમણે લોરેન્સ બર્કલે લેબોરેટરીમાં ૧૯૭૦ ના દાયકાના અંતમાં આ ટેકનોલોજી વિકસાવી હતી. તેનો પ્રથમ મોટો ઉપયોગ PEP-૪ ડિટેક્ટરમાં થયો હતો, જ્યાં ૨૯ GeV ની ઉર્જા ધરાવતા ઇલેક્ટ્રોન-પોઝિટ્રોન અથડામણનો અભ્યાસ કરવામાં આવ્યો હતો. ત્યારથી લઈને આજ સુધી, TPC ની ડિઝાઇનમાં ઘણા સુધારા થયા છે, પરંતુ તેનો મૂળભૂત સિદ્ધાંત આજે પણ એ જ રહ્યો છે જે નાયગ્રેને આપ્યો હતો.

મૂળભૂત સંરચના અને કાર્યપદ્ધતિ

એક લાક્ષણિક ટાઈમ પ્રોજેક્શન ચેમ્બર ગેસથી ભરેલા નળાકાર જેવી હોય છે. આ નળાકારની અંદર એક શક્તિશાળી વીજ ક્ષેત્ર સ્થાપિત કરવામાં આવે છે. નળાકારની બરાબર મધ્યમાં એક હાઈ-વોલ્ટેજ ઈલેક્ટ્રોડ (electrode) ડિસ્ક હોય છે, જે કેન્દ્ર અને છેડાની પ્લેટો વચ્ચે વીજ ક્ષેત્ર પેદા કરે છે. જ્યારે કોઈ ચાર્જ્ડ કણ (charged particle) આ ગેસમાંથી પસાર થાય છે, ત્યારે તે ગેસના અણુઓ સાથે અથડાઈને તેમાંથી ઇલેક્ટ્રોનને છૂટા પાડે છે. આ પ્રક્રિયાને આયનીકરણ (ionization) કહેવામાં આવે છે. આ છૂટા પડેલા ઇલેક્ટ્રોન વીજ ક્ષેત્રને કારણે નળાકારના છેડા તરફ ગતિ કરવા લાગે છે.

આ પ્રક્રિયામાં ચુંબકીય ક્ષેત્રની ભૂમિકા અત્યંત મહત્વની છે. નળાકારની લંબાઈની દિશામાં જ એક શક્તિશાળી ચુંબકીય ક્ષેત્ર લગાડવામાં આવે છે. આ ક્ષેત્ર ઇલેક્ટ્રોનને સીધા માર્ગે રાખવામાં મદદ કરે છે અને તેમને આડાઅવળા ફેલાતા (diffusion) રોકે છે. જો ચુંબકીય ક્ષેત્ર ન હોય, તો ઇલેક્ટ્રોન ગેસના અન્ય અણુઓ સાથે અથડાઈને વિખેરાઈ જાય, જેનાથી કણના માર્ગની ચોકસાઈ ઘટી જાય. આ રીતે, ઇલેક્ટ્રોન એક સીધી રેખામાં છેડા પર રહેલા સેન્સર સુધી પહોંચે છે.

સમયનું અંતરમાં રૂપાંતર: કેવી રીતે કામ કરે છે?

TPC નું નામ 'ટાઈમ પ્રોજેક્શન' એટલે રાખવામાં આવ્યું છે કારણ કે તે સમયના માપન દ્વારા અંતરની ગણતરી કરે છે. જ્યારે કણ ગેસમાંથી પસાર થાય છે, ત્યારે ઇલેક્ટ્રોન પેદા થાય છે. આ ઇલેક્ટ્રોનને છેડા સુધી પહોંચતા કેટલો સમય લાગ્યો, તેના આધારે કણ નળાકારમાં કઈ ઊંડાઈએ (Z-coordinate) હતો તે નક્કી થાય છે. આ માટે ડ્રિફ્ટ ટાઈમ (drift time) ટેકનિકનો ઉપયોગ થાય છે. નળાકારના છેડા પર મલ્ટી-વાયર પ્રોપોર્શનલ ચેમ્બર્સ (Multi-wire proportional chambers - MWPC) ગોઠવાયેલા હોય છે, જે આ ઇલેક્ટ્રોનને પકડે છે.

છેડા પર રહેલા વાયરોની ગોઠવણ એવી રીતે હોય છે કે તે કણના અન્ય બે પરિમાણો (X અને Y અથવા ત્રિજ્યા અને ખૂણો) ની માહિતી આપે છે. એનોડ વાયરો (anode wires) વર્તુળાકાર દિશામાં હોય છે જે ત્રિજ્યાની માહિતી આપે છે, જ્યારે કેથોડ પ્લેટ (cathode plane) ના પટ્ટાઓ ખૂણાની માહિતી આપે છે. આ ત્રણેય માહિતી - ડ્રિફ્ટ ટાઈમ, ત્રિજ્યા અને ખૂણો - ભેગી કરીને કમ્પ્યુટર આખા કણના માર્ગનું ૩D ચિત્ર તૈયાર કરે છે. આ પ્રક્રિયા એટલી ઝડપી હોય છે કે તે સેકન્ડના લાખોમાં ભાગમાં થતી હજારો અથડામણોનો ડેટા પ્રોસેસ કરી શકે છે.

લિક્વિડ આર્ગોન TPC: ઘનતા અને ચોકસાઈનો સંગમ

પરંપરાગત TPC માં ગેસનો ઉપયોગ થતો હતો, પરંતુ આધુનિક પ્રયોગોમાં લિક્વિડ આર્ગોન (Liquid Argon - LAr) નો ઉપયોગ વધ્યો છે. ૧૯૭૪ માં વિલિયમ જે. વિલિસ અને વેલ્જકો રાડેકાએ સાબિત કર્યું કે લિક્વિડ આર્ગોનમાં પણ કણોની ઉર્જા માપી શકાય છે. લિક્વિડ આર્ગોનનો સૌથી મોટો ફાયદો તેની ઘનતા છે. તે ગેસ કરતા લગભગ ૧૦૦૦ ગણું વધુ ઘટ્ટ હોય છે. આનો અર્થ એ છે કે કણો આ માધ્યમમાં વધુ અથડામણો અનુભવશે, જે ન્યુટ્રિનો (neutrino) જેવા પકડવા મુશ્કેલ કણોના અભ્યાસ માટે વરદાન સમાન છે.

લિક્વિડ આર્ગોન એક નોબલ ગેસ હોવાથી તે ઇલેક્ટ્રોનને શોષી લેતો નથી, જેથી ઇલેક્ટ્રોન લાંબા અંતર સુધી મુસાફરી કરી શકે છે. વધુમાં, જ્યારે કોઈ કણ લિક્વિડ આર્ગોનમાંથી પસાર થાય છે, ત્યારે તે પ્રકાશના ઝબકારા (scintillation) પણ પેદા કરે છે. આ પ્રકાશને ફોટોમલ્ટીપ્લાયર ટ્યુબ્સ (photomultiplier tubes) દ્વારા પકડવામાં આવે છે. આ પ્રકાશ અથડામણના બરાબર સમયે પેદા થતો હોવાથી તે 'ટ્રિગર' (trigger) તરીકે કામ કરે છે, જેનાથી વૈજ્ઞાનિકોને ખબર પડે છે કે બરાબર કયા સમયે અથડામણ શરૂ થઈ હતી.

સિગ્નલ રીડઆઉટ અને ડેટા પ્રોસેસિંગ

LArTPC ની ડિઝાઇનમાં ત્રણ મુખ્ય ભાગો હોય છે: હાઈ-વોલ્ટેજ કેથોડ પ્લેટ, ફિલ્ડ કેજ (field cage) અને એનોડ વાયર પ્લેન્સ. કેથોડ પ્લેટ સામાન્ય રીતે ૫૦૦ V/cm જેટલું વીજ ક્ષેત્ર પેદા કરે છે. ફિલ્ડ કેજ એ ખાતરી કરે છે કે આ વીજ ક્ષેત્ર આખા ચેમ્બરમાં એકસમાન રહે, જેથી ઇલેક્ટ્રોન વાંકાચૂંકા ન જાય. એનોડ બાજુએ વાયરોના અનેક સ્તરો હોય છે. અંદરના સ્તરોને ઇન્ડક્શન પ્લેન્સ (induction planes) કહેવામાં આવે છે, જેમાંથી ઇલેક્ટ્રોન પસાર થાય ત્યારે તેમાં કરંટ પેદા થાય છે. છેલ્લી પ્લેટને કલેક્શન પ્લેટ (collection plane) કહેવાય છે, જે ઇલેક્ટ્રોનને શોષી લે છે.

દરેક વાયર એક જટિલ ઈલેક્ટ્રોનિક સર્કિટ સાથે જોડાયેલો હોય છે. જ્યારે ઇલેક્ટ્રોન વાયરની નજીક આવે છે, ત્યારે તે બાયપોલર (bipolar) સિગ્નલ પેદા કરે છે - એટલે કે કરંટ પહેલા વધે છે અને પછી વિરુદ્ધ દિશામાં જાય છે. કલેક્શન પ્લેટ પર આ સિગ્નલ યુનિપોલર (unipolar) હોય છે. આ સિગ્નલની તીવ્રતા પરથી ખબર પડે છે કે ત્યાં કેટલા ઇલેક્ટ્રોન આવ્યા હતા, જે કણની ઉર્જા વિશે માહિતી આપે છે. આ ડેટાને ડિજિટાઈઝ કરીને ૨D ચિત્રો બનાવવામાં આવે છે, અને પછી અલગ-અલગ પ્લેન્સના ૨D ચિત્રોને જોડીને ૩D પુનઃનિર્માણ કરવામાં આવે છે.

વિજ્ઞાન માટે તેનું મહત્વ

TPC ટેકનોલોજી માત્ર LHC પૂરતી મર્યાદિત નથી. તેનો ઉપયોગ ડાર્ક મેટર (Dark Matter) ની શોધમાં પણ થઈ રહ્યો છે. 'ડાર્ક મેટર ટાઈમ પ્રોજેક્શન ચેમ્બર' (DMTPC) નામના પ્રયોગમાં ઓછા દબાણવાળા ગેસનો ઉપયોગ કરીને વીકલી ઈન્ટરેક્ટિંગ મેસિવ પાર્ટિકલ્સ (WIMPs) ને શોધવાનો પ્રયાસ કરવામાં આવે છે. આ પ્રયોગોમાં MIT અને બોસ્ટન યુનિવર્સિટી જેવા સંસ્થાનો જોડાયેલા છે. ૨૦૧૦ માં ન્યૂ મેક્સિકોની ભૂગર્ભ પ્રયોગશાળામાં આ ટેકનોલોજીનો ઉપયોગ કરીને ડાર્ક મેટરના અસ્તિત્વ વિશેના મહત્વના ડેટા એકત્રિત કરવામાં આવ્યા હતા.

ભારત માટે પણ આ ટેકનોલોજી મહત્વની છે કારણ કે ભારતીય વૈજ્ઞાનિકો CERN ના ALICE પ્રયોગમાં સક્રિયપણે જોડાયેલા છે, જેમાં વિશ્વની સૌથી મોટી TPC કાર્યરત છે. આ સાધન આપણને એ સમજવામાં મદદ કરે છે કે બિગ બેંગ (Big Bang) પછીના શરૂઆતના સમયમાં બ્રહ્માંડ કેવું દેખાતું હશે. ભલે તે ગેસ આધારિત હોય કે લિક્વિડ આર્ગોન આધારિત, ટાઈમ પ્રોજેક્શન ચેમ્બર એ આધુનિક ભૌતિકશાસ્ત્રની એક એવી આંખ છે જે આપણને અદ્રશ્ય પરમાણુ વિશ્વને જોવાની ક્ષમતા આપે છે.