गार्गमेल

गर्गमेले 1970 और 1979 के बीच सीईआरएन में कार्य करने वाला एक भारी द्रव बुदबुद कोष्ठ संसूचक (हैवी लिक्विड बबल चैंबर संसूचक) था। इसका निर्माण न्युट्रीनो और एंटीन्यूट्रीनो की पहचान करने के लिए किया गया था, जो 1970 से 1976 के बीच प्रोटॉन सिंक्रोट्रॉन (पीएस) से निर्मित होते थे, इसके पश्चात संसूचक को सुपर प्रोटॉन सिंक्रोट्रॉन (एसपीएस) में स्थानांतरित किया गया। 1979 में एक अनुकरणीय आघात (दरार) बुदबुद कोष्ठ में पाई गई, और संसूचक को सेवामुक्त कर दिया गया। यह वर्तमान में सीईआरएन के "माइक्रोकॉसम" प्रदर्शन में सम्मिलित है, जिसे सार्वजनिक के लिए खोला गया है।

गर्गमेले उस प्रयोग के लिए प्रसिद्ध है जिसमें न्यूट्रल धाराओं की खोज की गई थी। जुलाई 1973 में पाया गया, न्यूट्रल धाराएँ Z0 बोसॉन के अस्तित्व का पहला प्रायोगिक संकेत था, और इस परिणामस्वरूप विद्युतक्षैत्र सिद्धांत के सत्यापन की ओर महत्वपूर्ण कदम बढ़ाया।

गर्गमेले स्वयं बुदबुद कोष्ठ संसूचक, या उच्च-ऊर्जा भौतिकी प्रयोग दोनों को एक ही नाम से संदर्भित कर सकता है। यह नाम फ्रांकोइस रबेलैस के 16वीं सदी के उपन्यास द लाइफ ऑफ गर्गेंटुआ एंड ऑफ पेंटाग्रुएल से लिया गया है, जिसमें विशाल गर्गमेल गर्गेंटुआ की जननी है।

पृष्ठभूमि
1960 के दशक में भिन्न-भिन्न कार्यों की एक श्रृंखला में शेल्डन ग्लासो, स्टीवन वेनबर्ग, और अब्दुस सलाम एक सिद्धांत लेकर आए, जो प्राथमिक कणों के बीच विद्युत चुम्बकीय और दुर्बल बल को एकीकृत करता है - इलेक्ट्रोवीक सिद्धांत - जिसके लिए उन्हें भौतिकी में 1979 का नोबेल पुरस्कार साझा किया गया। उनके सिद्धांत ने दुर्बल बल के प्रचारक के रूप में W± और Z0 बोसॉन के अस्तित्व की पूर्वानुमान थी। W± बोसॉन में विद्युत आवेश होता है, या तो धनात्मक (W+) या ऋणात्मक (W−), Z0 पर, हालांकि, कोई आवेश नहीं होता है। Z0 बोसॉन का आदान-प्रदान संवेग, स्पिन, और ऊर्जा को स्थानांतरित करता है लेकिन कण की क्वांटम संख्या को अप्रभावित छोड़ देता है - आवेश, फ्लेवर, बेरियन संख्या, लेप्टान संख्या, आदि। चूँकि विद्युत आवेश का कोई स्थानांतरण नहीं होता है, Z0 के आदान-प्रदान को "न्यूट्रल धारा" कहा जाता है। तटस्थ धाराएँ विद्युत दुर्बल सिद्धांत की पूर्वानुमान थीं।

1960 में, मेल्विन श्वार्ट्ज ने एक ऊर्जावान न्यूट्रीनो बीम उत्पन्न करने का एक विधि प्रस्तुत की। इस तरह की एक बीम का उपयोग फिर 1962 में श्वार्ट्स और अन्यों ने ब्रुकहेवन में एक प्रयोग में किया, जिसने दिखाया कि विभिन्न प्रकार के न्यूट्रीनो, म्यूऑन न्यूट्रिनो और इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो, होते हैं। इस खोज के लिए श्वार्ट्ज को 1988 में भौतिकी का नोबेल पुरस्कार प्राप्त हुआ। श्वार्टज़ के विचार से पहले दुर्बल अंतःक्रियाओं का अध्ययन केवल प्राथमिक कणों, विशेषकर अजीब कणों के क्षय में किया गया था। इन नए न्यूट्रिनो बीमों के उपयोग से दुर्बल अंतःक्रिया के अध्ययन के लिए उपलब्ध ऊर्जा में काफी वृद्धि हुई है। गार्गामेल उन पहले प्रयोगों में से एक था जिसमें न्यूट्रिनो बीम का उपयोग किया गया था, जो पीएस से प्रोटॉन बीम के साथ उत्पन्न हुआ था।

बुदबुद कोष्ठ बस एक कंटेनर है जो अत्यधिक गरम तरल से भरा होता है। कक्ष के माध्यम से यात्रा करने वाला एक आवेशित कण एक आयनीकरण ट्रैक छोड़ देगा, जिसके चारों ओर तरल वाष्पीकृत हो जाता है, जिससे सूक्ष्म बुलबुले बनते हैं। पूरा चैम्बर एक निरंतर चुंबकीय क्षेत्र के अधीन है, जिससे आवेशित कणों के ट्रैक वक्र हो जाते हैं। वक्रता की त्रिज्या कण की गति के समानुपाती होती है। पटरियों की तस्वीरें खींची जाती हैं, और पटरियों का अध्ययन करके कोई भी पता लगाए गए कणों के गुणों के बारे में जान सकता है। गार्गामेल बुदबुद कोष्ठ से होकर गुजरने वाली न्यूट्रिनो किरण ने संसूचक में कोई ट्रैक नहीं छोड़ा, क्योंकि न्यूट्रिनो पर कोई आवेश नहीं होता है। इसलिए, पदार्थ के घटकों के साथ न्यूट्रिनो की परस्पर क्रिया से उत्पन्न कणों का अवलोकन करके, न्यूट्रिनो के साथ परस्पर क्रिया का पता लगाया गया। न्यूट्रिनो में बहुत छोटे क्रॉस सेक्शन होते हैं, अर्थात, परस्पर क्रिया की संभावना बहुत कम होती है। जबकि बुदबुद कोष्ठ आम तौर पर तरल हाइड्रोजन से भरे होते हैं, गार्गामेल एक भारी तरल - सीबीआरएफ 3 (फ़्रीऑन) से भरा होता है - जिससे न्यूट्रिनो इंटरैक्शन देखने की संभावना बढ़ जाती है।

अवधारणा एवं निर्माण
60 के दशक में न्यूट्रिनो भौतिकी का क्षेत्र तेज़ी से विस्तार में था। बुदबुद कोष्ठों का उपयोग करने वाले न्यूट्रिनो प्रयोग पहले से ही सीईआरएन, पीएस में पहले सिंक्रोटॉन पर चल रहे थे, और बुदबुद कोष्ठों की अगली पीढ़ी का सवाल कुछ समय से एजेंडे में था। पेरिस में इकोले पॉलिटेक्निक के एक प्रतिष्ठित भौतिक विज्ञानी आंद्रे लैगरिग और उनके कुछ सहयोगियों ने 10 फरवरी 1964 को पहली प्रकाशित रिपोर्ट लिखी, जिसमें सीईआरएन की देखरेख में एक भारी तरल कक्ष के निर्माण का प्रस्ताव रखा गया था। उन्होंने सात प्रयोगशालाओं, एकॉल पॉलिटेक्निक पेरिस, आरडब्ल्यूटीएच आचेन, यूएलबी ब्रक्सेल्स, इस्टिट्यूटो डी फिसिका डेल यूनिवर्सिटा डी मिलानो, एलएएल ऑरसे, यूनिवर्सिटी कॉलेज लंदन और सीईआरएन, से मिलकर एक सहयोग बनाया। समूह ने 1968 में मिलान में मिलकर प्रयोग के लिए भौतिकी प्राथमिकताएं सूचीबद्ध कीं: आज गर्गमेले न्यूट्रल धाराओं की खोज के लिए प्रसिद्ध है, लेकिन भौतिकी कार्यक्रम की तैयारी के दौरान इस विषय पर तो बातचीत ही नहीं हुई थी, और अंतिम प्रस्ताव में इसे प्राथमिकता में पाँचवां स्थान पर रखा गया है। उस समय इलेक्ट्रोवीक सिद्धांत के आसपास सामंजस्य नहीं था, जिससे प्राथमिकताओं की सूची को समझाया जा सकता है। इसके अतिरिक्त, पहले ही विद्युत धाराओं की खोज के लिए पिछले प्रयोगों में, न्यूट्रल केओन के दो आवेश्ड लेपटोन में विघटन में, बहुत छोटी सी सीमाएं (लगभग 10−7) मापी गई थीं।

बजटीय संकट के कारण, 1966 में अपेक्षा के विपरीत, प्रयोग को स्वीकृति नहीं दी गई। सीईआरएन के निदेशक महानिदेशक विक्टर वाइसकॉपफ और वैज्ञानिक निदेशक बर्नार्ड ग्रेगोरी, ने निर्णय लिया कि वे खुद ही पैसा का प्रतिबद्ध होंगे, जिसमें आखिरी ने सीईआरएन को 1966 के लिए देय राशि को कवर करने के लिए एक कर्ज प्रदान किया। अंतिम अनुबंध पर 2 दिसंबर 1965 को हस्ताक्षर किए गए थे, जिससे सीईआरएन के इतिहास में यह पहली बार हुआ कि इस तरह के निवेश को परिषद द्वारा अनुमोदित नहीं किया गया था, बल्कि महानिदेशक द्वारा अपने कार्यकारी अधिकार का उपयोग करके अनुमोदित किया गया था।

गर्गमेले कक्ष का निर्माण पूरी तरह से सैकले में किया गया था। हालाँकि निर्माण में लगभग दो साल की देरी हुई, अंततः इसे दिसंबर 1970 में सीईआरएन में एकत्रित किया गया, और पहला महत्वपूर्ण कार्य मार्च 1971 में हुआ।

चैम्बर
गर्गमेले 4.8 मीटर लंबा और 2 मीटर व्यास का था, और इसमें 12 घन मीटर भारी तरल फ़्रीऑन था। आवेशित कणों की पटरियों को मोड़ने के लिए, गर्गमेले को 2 टेस्ला क्षेत्र प्रदान करने वाले चुंबक से घिरा हुआ था। चुम्बक की कुंडलियाँ पानी के साथ ठंडा किये गये तांबे से बनी होती थीं और गर्गमेले के आयताकार आकार का अनुसरण करती थीं। तरल को पर्याप्त तापमान पर बनाए रखने के लिए, तापमान को नियंत्रित करने के लिए, चैम्बर बॉडी के चारों ओर कई पानी की नलियाँ होती हैं। पूरे इंस्टालेशन का वजन 1000 टन से अधिक था।

किसी कार्यक्रम की रिकॉर्डिंग करते समय, कक्ष को रोशन किया गया और फोटो खींचे गए। रोशनी प्रणाली ने प्रकाश उत्सर्जित किया जो बुलबुले द्वारा 90 डिग्री पर बिखरा हुआ था, और प्रकाशिकी में भेजा गया था। प्रकाश स्रोत में चैम्बर बॉडी के सिरों पर और सिलेंडर के अर्ध से अधिक भाग पर स्थित 21 बिंदु फ्लैश सम्मिलित थे। ऑप्टिक्स सिलेंडर के विपरीत अर्ध भाग में स्थित थे, चैम्बर अक्ष के समानांतर दो पंक्तियों में वितरित, प्रत्येक पंक्ति में चार ऑप्टिक्स थे। उद्देश्य 90° कोणीय क्षेत्र के साथ लेंसों की एक असेंबली द्वारा बनाया गया था, जिसके पश्चात एक अपसारी लेंस लगाया गया था जो क्षेत्र को 110° तक बढ़ाता है।

न्यूट्रिनो किरण
गार्गामेल को न्यूट्रिनो और एंटीन्यूट्रिनो का पता लगाने के लिए डिज़ाइन किया गया था। न्यूट्रिनो और एंटीन्यूट्रिनो का स्रोत पीएस से 26 GeV की ऊर्जा पर एक प्रोटॉन बीम था। प्रोटॉन को एक चुंबक द्वारा निकाला गया और फिर चतुर्भुज और द्विध्रुव चुंबकों की एक उपयुक्त श्रृंखला के माध्यम से निर्देशित किया गया, जिससे लक्ष्य पर किरण को समायोजित करने के लिए स्थिति और अभिविन्यास में स्वतंत्रता की आवश्यक डिग्री प्रदान की गई। लक्ष्य बेरिलियम का एक सिलेंडर था, जो 90 cm लंबा और 5 mm व्यास वाला था। लक्ष्य सामग्री को इसलिए चुना गया ताकि टकराव में उत्पन्न होने वाले हैड्रॉन मुख्य रूप से पियोन और काओन हों, जो दोनों न्यूट्रिनो में क्षय हो जाते हैं। उत्पादित पियोन और काओन में विभिन्न प्रकार के कोण और ऊर्जाएं होती हैं, और परिणामस्वरूप उनके क्षय उत्पाद में भी भारी गति फैलती है। चूँकि न्यूट्रिनो पर कोई आवेश नहीं होता है, इसलिए उन्हें विद्युत या चुंबकीय क्षेत्र से केंद्रित नहीं किया जा सकता है। इसके बजाय, नोबेल पुरस्कार विजेता साइमन वैन डेर मीर द्वारा आविष्कार किए गए चुंबकीय हॉर्न का उपयोग करके द्वितीयक कणों पर ध्यान केंद्रित किया जाता है। हॉर्न के आकार और चुंबकीय क्षेत्र की मजबूती को समायोजित किया जा सकता है ताकि सर्वश्रेष्ठ ध्यान केंद्रित करने वाले कणों की एक श्रेणी का चयन किया जा सके, जिससे काओं और पाओं का विघटन होने पर चयनित ऊर्जा की एक श्रेणी के साथ एक ध्यान केंद्रित न्यूट्रीनो बीम प्राप्त हो। हॉर्न के माध्यम से धारा को उलट करके, एक एंटीन्यूट्रीनो बीम उत्पन्न किया जा सकता है। गारगामेल एक न्यूट्रीनो और एक एंटीन्यूट्रीनो बीम में सुस्ताधिक से चलता था। वान डेर मीयर की आविष्कार ने न्यूट्रीनो फ्लक्स को 20 गुणा बढ़ा दिया। न्यूट्रीनो बीम की ऊर्जा 1 और 10 GeV के बीच थी।



ध्यान केंद्रित करने के पश्चात, पियोन और काओन को 70 m लंबी सुरंग के माध्यम से निर्देशित किया गया, जिससे वे सड़ने लगे। पियोन और काओन जो सड़ते नहीं थे, सुरंग के अंत में एक ढाल से टकराए और अवशोषित हो गए। क्षय होने पर, पियोन और काओन आम तौर पर $π→μ + ν$ और $K→μ + ν$ में क्षय होते हैं, जिसका अर्थ है कि न्यूट्रिनो का प्रवाह म्यूऑन के प्रवाह के समानुपाती होगा। चूंकि म्यूऑन को हैड्रोन के रूप में अवशोषित नहीं किया गया था, इसलिए लंबे परिरक्षण में विद्युत चुम्बकीय धीमी प्रक्रिया द्वारा आवेश म्यूऑन के प्रवाह को रोक दिया गया था। न्यूट्रिनो प्रवाह को परिरक्षण में विभिन्न गहराई पर रखे गए सिलिकियम-गोल्ड संसूचकों के छह विमानों के माध्यम से संबंधित म्यूऑन प्रवाह के माध्यम से मापा गया था।

1971-1976 के वर्षों के दौरान तीव्रता में बड़े सुधार कारक प्राप्त हुए, पहला पीएस के लिए एक नए इंजेक्टर के साथ - प्रोटॉन सिंक्रोट्रॉन बूस्टर - और दूसरा बीम ऑप्टिक्स के सावधानीपूर्वक अध्ययन से।

परिणाम और खोजें
गार्गामेले की पहली मुख्य खोज न्युक्लियोन से म्यूऑन-न्यूट्रिनो और एंटीन्यूट्रिनो के कठोर-प्रकीर्णन के साक्ष्य की खोज करना था। प्राथमिकताएँ मार्च 1972 में बदल गईं, जब हैड्रोनिक न्यूट्रल करंट के अस्तित्व के पहले संकेत स्पष्ट हो गए। इसके पश्चात न्यूट्रल विद्यमान उम्मीदवारों की तलाश में दोतरफा हमला करने का निर्णय लिया गया। एक लाइन लेपटोनिक घटनाओं की खोज करेगी - इसमें इलेक्ट्रॉन के साथ संवेपन होता है, उदाहरण के लिए muon neutrino + electron → muon neutrino + electron या muon antineutrino + electron → muon antineutrino + electron। दूसरी लाइन हैड्रोनिक घटनाओं की खोज करेगी - जिसमें हैड्रॉन से फैले हुए एक न्यूट्रीनो होता है, उदाहरण के लिए neutrino + proton → neutrino + proton, neutrino + neutron → neutrino + proton + Pion- या proton → neutrino + neutron + Pion+, साथ ही कई हैड्रॉन्स के साथ घटित घटनाएँ। लेपटोनिक घटनाएँ छोटे अनुप्रस्थ काट्स होते हैं, लेकिन संबंधित छोटे पृष्ठभूमि होती है। हैड्रोनिक घटनाएँ बड़ी पृष्ठभूमि होती हैं, जिनमें न्यूट्रीनो परिच्छिन्न होते हैं (उदाहरण के लिए, 22), और कई हैड्रॉन्स के साथ घटित घटनाएँ। लेपटोनिक घटनाएँ छोटे अनुप्रस्थ काट होते हैं, लेकिन उससे मेल खाती हैं छोटी पृष्ठभूमि के साथ। हैड्रोनिक घटनाएँ बड़ी पृष्ठभूमि होती हैं, ज्यादातर इसका कारण है कि जब न्यूट्रीनो कमरे के आस-पास सामग्री में परिच्छेदित होते हैं, तो इससे न्यूट्रॉन उत्पन्न होते हैं। न्यूट्रॉन्स, जो किसी भी आवेग के बिना होते हैं, बुदबुद कोष्ठ में पहचाने में नहीं आएंगे, और उनके परिच्छेदन की पहचान न्यूट्रल धाराओं घटनाओं की नकल करेगी। न्यूट्रॉन पृष्ठभूमि को कम करने के लिए हैड्रोनिक घटनाओं की ऊर्जा 1 GeV से अधिक होनी चाहिए।

लेप्टोनिक घटना का पहला उदाहरण दिसंबर 1972 में आचेन के एक स्नातक छात्र द्वारा गार्गामेल में पाया गया था। मार्च 1973 तक 166 हैड्रोनिक घटनाएँ पाई गईं, न्यूट्रिनो बीम के साथ 102 घटनाएँ और एंटीन्यूट्रिनो बीम के साथ 64 घटनाएँ। हालाँकि, न्यूट्रॉन पृष्ठभूमि का प्रश्न हेड्रोनिक घटनाओं की व्याख्या पर लटका हुआ था। समस्या को आवेशित वर्तमान घटनाओं का अध्ययन करके हल किया गया था, जिसमें एक संबद्ध न्यूट्रॉन इंटरैक्शन भी था, जो कि हैड्रोनिक घटना चयन को संतुष्ट करता था। इस तरह से किसी के पास न्यूट्रॉन पृष्ठभूमि प्रवाह का मॉनिटर होता है। 19 जुलाई 1973 को गर्गमेले सहयोग ने सीईआरएन में एक सेमिनार में न्यूट्रल धाराओं की खोज प्रस्तुत की गई थी।

गर्गमेले सहयोग ने लेप्टोनिक न्यूट्रल धाराओं की खोज की - एक इलेक्ट्रॉन के साथ न्यूट्रिनो की बातचीत से जुड़ी घटनाएं - और हैड्रोनिक न्यूट्रल धाराएं - जब एक न्यूट्रिनो एक न्यूक्लियॉन से बिखरा हुआ होता है तो घटनाएं होती हैं। यह खोज बहुत महत्वपूर्ण थी क्योंकि यह इलेक्ट्रोकेक सिद्धांत के समर्थन में थी, जो आज मानक मॉडल का एक स्तंभ है। इलेक्ट्रोवीक सिद्धांत का अंतिम प्रयोगात्मक प्रमाण 1983 में आया, जब UA1 और UA2 सहयोग ने W± और Z0 बोसोन की खोज की।

प्रारम्भ में गर्गमेले की पहली प्राथमिकता न्यूट्रिनो और एंटीन्यूट्रिनो अनुप्रस्थ काट और संरचना कार्यों को मापना था। इसकी वजह न्यूक्लियॉन के क्वार्क मॉडल का परीक्षण करना था। सबसे पहले न्यूट्रिनो और एंटीन्यूट्रिनो अनुप्रस्थ काट को ऊर्जा के साथ रैखिक दिखाया गया था, जो कि न्यूक्लियॉन में बिंदु-समान घटकों के बिखरने की अपेक्षा करता है। न्यूट्रीनो और एंटीन्यूट्रीनो संरचना समाहित करने ने न्यूक्लीयन में क्वार्क की वास्तविक संख्या को निर्धारित करने की अनुमति दी, और यह 3 के साथ अच्छी सहमति में था। साथ ही, संयुक्त रूप से न्यूट्रीनो परिणामों को संयुक्त रूप से संयुक्त रूप से संयुक्त रूप से तुलना करना, संयुक्त रूप से न्यूट्रीनो परिणामों को अमेरिका के स्टैनफोर्ड लीनियर एक्सेलरेटर सेंटर (एसएलएसी) के परिणामों के साथ करना, उपयोग करके इलेक्ट्रॉन बीम, किसी ने पाया कि क्वार्क्स में आंशिक आवेश हैं, और इन आवेशों के मौद्रिक मूल्यों की प्रमाणिक प्रमाणिकता: +$2/3$e, -$1/3$e। परिणामों को 1975 में प्रकाशित किया गया, जो क्वार्क्स के अस्तित्व के लिए आवश्यक साक्षात्कार प्रदान करने वाले महत्वपूर्ण साक्षात्कार थे।

यह भी देखें

 * प्रोटॉन सिंक्रोट्रॉन
 * यूए1 प्रयोग
 * यूए2 प्रयोग
 * डब्ल्यू और जेड बोसोन
 * बुदबुद कोष्ठ

अग्रिम पठन

 * University of Nottingham, "Gargamelle and Neutral Currents"

बाहरी संबंध

 * Gargamelle experiment record on INSPIRE-HEP