लेज़र से बने म्यूऑन से सीसे के आर-पार देखना

म्यूऑन इलेक्ट्रॉन का एक भारी चचेरा भाई है। कहीं ज़्यादा द्रव्यमान की वजह से यह पदार्थ को पार करते हुए बहुत कम ऊर्जा खोता है, और चट्टान या धातु की विशाल मोटाई के आर-पार जा सकता है।

यही म्यूओग्राफ़ी का आधार है: म्यूऑन से विशाल या घनी चीज़ों के “एक्स-रे” लेना। 2017 में इसने ख़ूफ़ू के पिरामिड के अंदर एक बड़ी खाली जगह उजागर की थी, और इसका इस्तेमाल असामा और एटना जैसे ज्वालामुखियों, खदानों, रेलवे सुरंगों, ग्लेशियरों और मालवाहक कंटेनरों की जाँच में हुआ है।

आसमानी म्यूऑन की सीमा

अब तक म्यूओग्राफ़ी सिर्फ़ कॉस्मिक म्यूऑन पर निर्भर रही है, जो तब प्राकृतिक रूप से बनते हैं जब ब्रह्मांडीय किरणें वायुमंडल से टकराती हैं। इनका प्रवाह कम है — लगभग एक म्यूऑन प्रति वर्ग सेंटीमीटर प्रति सेकंड — इसलिए एक्सपोज़र लंबे होते हैं। ये ज़्यादातर ऊपर से आते हैं, और इनकी ऊर्जा या दिशा पर किसी का नियंत्रण नहीं।

विकल्प: लेज़र से एक कृत्रिम म्यूऑन किरणपुंज बनाना। “लेज़र वेकफ़ील्ड त्वरण” (laser wakefield acceleration) कुछ सेंटीमीटर गैस में इलेक्ट्रॉनों को लगभग 10 GeV तक पहुँचा सकता है। जब ये इलेक्ट्रॉन किसी ठोस लक्ष्य से टकराते हैं, तो म्यूऑन पैदा होते हैं। लेज़र से बने म्यूऑन की पहली पुष्टि 2025 में शंघाई और बर्कली के BELLA लेज़र पर हुई थी — लेकिन उन्हें सिर्फ़ अप्रत्यक्ष रूप से पकड़ा गया था।

प्रयोग

यह काम रोमानिया के मागुरेले में ELI-NP (Extreme Light Infrastructure – Nuclear Physics) में उसकी 10-पेटावॉट लेज़र भुजा से किया गया: 23 फ़ेम्टोसेकंड में 230 जूल, ज़्यादा से ज़्यादा एक शॉट प्रति मिनट। इस अभियान में 230 शॉट इस्तेमाल हुए।

• 60 मिमी के एक गैस लक्ष्य ने 8 GeV तक के इलेक्ट्रॉन पैदा किए।
• वे 40 × 40 × 50 सेमी के सीसे के ब्लॉक से टकराए। वहाँ गामा किरणों ने म्यूऑन–एंटीम्यूऑन जोड़े बनाए (बेथे–हाइटलर प्रक्रिया)।
• भारी परिरक्षण — 100 सेमी पॉलीएथिलीन, 60 सेमी पैराफ़िन, सीसा, और 2 मीटर की प्रबलित कंक्रीट की दीवार — ने अवांछित न्यूट्रॉनों और गामा किरणों को रोका।
• म्यूओग्राफ़ी के लिए बने तीन डिटेक्टरों ने किरणपुंज दर्ज किया। उनमें से एक, µ36, एक वैन में लगाया गया था और उसे स्रोत से 20, 29 और 42 मीटर दूर, और 6 मीटर तक बग़ल में ले जाया गया।
• विस्तृत मोंटे कार्लो सिमुलेशन (GEANT4) ने मापे गए इलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रम से पूरे सेटअप को शॉट-दर-शॉट दोहराया।

उन्होंने क्या मापा

• किरणपुंज की रूपरेखा: अक्ष पर केंद्रित एक शिखर, जो 20 मीटर पर (आधी ऊँचाई पर) 4.51 मीटर चौड़ा और 29 मीटर पर 6.35 मीटर चौड़ा था — लगभग 12.6° का खुलाव कोण। सिमुलेशन 4.43 मीटर और 6.27 मीटर देते हैं।
• 20 मीटर पर डिटेक्टर में जमा ऊर्जा का 86.9 % म्यूऑन से आता है, भले ही अवांछित कण संख्या में ज़्यादा हैं।
• म्यूऑन की ऊर्जा: कुछ GeV, 6–7 तक। डिटेक्टरों तक पहुँचने के लिए म्यूऑन को कम से कम 1.5 GeV चाहिए।
• तस्वीर: स्रोत से 23 मीटर दूर रखी 20 × 25 × 100 सेमी की सीसे की एक वस्तु की तस्वीर 30 लेज़र शॉट में ली गई। इसका पुनर्निर्मित आकार: 22.5–25 सेमी — असली वस्तु 25 सेमी मोटी है। इसके पीछे संकेत लगभग 26 % गिरता है। विभेदन: 2.5 सेमी, यानी डिटेक्टर की एक पट्टी की चौड़ाई।
• सिमुलेशन में, म्यूऑन के बिना गामा किरणें और न्यूट्रॉन यह तस्वीर नहीं बनाते, सिर्फ़ एक सपाट पृष्ठभूमि।

आसमानी म्यूऑन से आगे

लेखकों के अनुसार, यह लेज़र से चलने वाले कृत्रिम म्यूऑन किरणपुंज के प्रभुत्व वाली पहली इमेजिंग है। कृत्रिम स्रोत ज़्यादा प्रबल प्रवाह, और दिशा व ऊर्जा पर नियंत्रण देता है — आसमान का इंतज़ार ख़त्म। यह म्यूऑन स्पिन स्पेक्ट्रोस्कोपी और न्यूट्रिनो अध्ययनों में भी काम आ सकता है। अगले अभियानों का लक्ष्य ज़्यादा ऊँची इलेक्ट्रॉन ऊर्जाएँ और उच्च प्रवाह के लिए बने डिटेक्टर हैं।