ZEPLIN-III
ઝેપ્લિન-III શ્યામ દ્રવ્ય પ્રયોગે 12 કિલોગ્રામ પ્રવાહી ઝેનોન લક્ષ્યનો ઉપયોગ કરીને તારાવિશ્વ WIMP ને શોધવાનો પ્રયાસ કર્યો હતો. તે 2006 થી 2011 સુધી ઉત્તર યોર્કશાયરના લોફ્ટસમાં બોલ્બી ભૂગર્ભ પ્રયોગશાળામાં કાર્યરત હતી. મૂળરૂપે યુકે ડાર્ક મેટર કોલાબોરેશન (યુકેડીએમસી) દ્વારા અનુસરવામાં આવેલા ઝેપ્લિન કાર્યક્રમમાં ઝેનોન આધારિત પ્રયોગોની શ્રેણીમાં આ છેલ્લું હતું. ઝેપ્લિન-III પ્રોજેક્ટનું નેતૃત્વ ઇમ્પિરિયલ કોલેજ લંડન દ્વારા કરવામાં આવ્યું હતું અને તેમાં યુકેમાં રધરફર્ડ એપલટન લેબોરેટરી અને યુનિવર્સિટી ઓફ એડિનબર્ગ તેમજ પોર્ટુગલમાં એલઆઇપી-કોઇમ્બ્રા અને રશિયામાં આઇટીઇપી-મોસ્કોનો પણ સમાવેશ થાય છે. તેણે બોલ્બી ખાતે હાથ ધરવામાં આવેલા બે વિજ્ઞાન દોડમાંથી (2008માં 83 દિવસ અને 2010/11 માં 319 દિવસ) 3.9 × 10−8 pb (3.9 × 10−44 સે. મી. 2) થી ઉપરના ન્યુક્લિયનોમાંથી WIMPના સ્થિતિસ્થાપક સ્કેટરિંગ માટે ક્રોસ-સેક્શનને નકારી કાઢ્યા હતા. સીધી શ્યામ દ્રવ્ય શોધ પ્રયોગો અત્યંત દુર્લભ અને ખૂબ જ નબળા અથડામણની અપેક્ષા રાખે છે જે ઠંડા શ્યામ દ્રવ્યના કણો વચ્ચે થવાની ધારણા છે જે આપણી આકાશગંગા અને કિરણોત્સર્ગ ડિટેક્ટરના સક્રિય માધ્યમમાં અણુઓના કેન્દ્રમાં પ્રવેશ કરે છે. આ કાલ્પનિક પ્રાથમિક કણો નબળા આંતરક્રિયા કરતા મોટા કણો અથવા ડબલ્યુ. આઇ. એમ. પી. હોઈ શકે છે, જેનું વજન થોડા પ્રોટોન જેટલું ઓછું અથવા ઘણા ભારે કેન્દ્રક જેટલું હોઈ શકે છે. તેમની પ્રકૃતિ હજુ સુધી જાણીતી નથી, પરંતુ શ્યામ દ્રવ્યની સમસ્યાને સમજાવવા માટે કણ ભૌતિકશાસ્ત્રના પ્રમાણભૂત નમૂનામાં કોઈ સમજદાર ઉમેદવાર નથી. શોધ તકનીક કન્ડેન્સ્ડ નોબલ ગેસ, ખાસ કરીને પ્રવાહી ઝેનોન અને પ્રવાહી આર્ગોન, ઉત્તમ કિરણોત્સર્ગ શોધ માધ્યમ છે. તેઓ દરેક કણોની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા માટે બે સંકેતો ઉત્પન્ન કરી શકે છેઃ પ્રકાશની ઝડપી ફ્લેશ (સિન્ટિલેશન) અને ચાર્જનું સ્થાનિક પ્રકાશન (આયનીકરણ). બે તબક્કાના ઝેનોનમાં-જેને સંતુલનમાં પ્રવાહી અને વાયુ તબક્કાઓનો સમાવેશ થતો હોવાથી કહેવામાં આવે છે-પ્રવાહીમાં ક્રિયાપ્રતિક્રિયા દ્વારા ઉત્પન્ન થતો ચમકતો પ્રકાશ ફોટોમલ્ટીપ્લાયર ટ્યુબ સાથે સીધો શોધાય છે; ક્રિયાપ્રતિક્રિયા સ્થળ પર મુક્ત થતા આયનીકરણ ઇલેક્ટ્રોન બાહ્ય વિદ્યુત ક્ષેત્ર હેઠળ પ્રવાહી સપાટી પર વહી જાય છે, અને ત્યારબાદ ઝેનોન વરાળના પાતળા સ્તરમાં ઉત્સર્જિત થાય છે. એકવાર ગેસમાં, તેઓ પ્રકાશનો બીજો, મોટો પલ્સ (ઇલેક્ટ્રોલ્યુમિનેસન્સ અથવા પ્રમાણસર સિન્ટિલેશન) ઉત્પન્ન કરે છે, જે ફોટોમલ્ટીપ્લાયરની સમાન શ્રેણી દ્વારા શોધાય છે. આ પ્રણાલીઓને ઝેનોન 'એમિશન ડિટેક્ટર્સ' તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે. આ રૂપરેખાંકન ટાઇમ પ્રોજેક્શન ચેમ્બર (ટી. પી. સી.) નું છે; તે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા સ્થળના ત્રિ-પરિમાણીય પુનર્નિર્માણને મંજૂરી આપે છે, કારણ કે ઊંડાઈ સંકલન (ઝેડ) ને બે પ્રકાશ પલ્સ વચ્ચેના સમયના વિભાજનથી ખૂબ જ સચોટ રીતે માપી શકાય છે. ફોટોમલ્ટીપ્લાયર એરે (ઓ) માં હિટ પેટર્નમાંથી આડી કોઓર્ડિનેટ્સનું પુનઃનિર્માણ કરી શકાય છે. વિવેચનાત્મક રીતે ડબ્લ્યુઆઇએમપી શોધ માટે, બે પ્રતિક્રિયા ચેનલો (સિન્ટિલેશન અને આયનીકરણ) વચ્ચેનો ગુણોત્તર ડબ્લ્યુઆઇએમપી શોધ માટે મુખ્ય પશ્ચાદભૂના અસ્વીકારને મંજૂરી આપે છેઃ ડિટેક્ટર સામગ્રી અને તાત્કાલિક આસપાસના ટ્રેસ કિરણોત્સર્ગમાંથી ગામા અને બીટા કિરણોત્સર્ગ. ડબ્લ્યુઆઇએમપી ઉમેદવાર ઘટનાઓ વધુ પ્રચલિત પૃષ્ઠભૂમિ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ કરતાં નીચા આયનીકરણ/સિન્ટિલેશન ગુણોત્તર ઉત્પન્ન કરે છે. ઝેડઇપીએલઆઇએન કાર્યક્રમએ ડબ્લ્યુઆઇએમપી શોધ માટે બે તબક્કાની તકનીકનો ઉપયોગ કરવાની પહેલ કરી હતી. જોકે, આ તકનીક સૌપ્રથમ 1970ના દાયકાની શરૂઆતમાં આર્ગોનનો ઉપયોગ કરીને કિરણોત્સર્ગની તપાસ માટે વિકસાવવામાં આવી હતી. મોસ્કો એન્જિનિયરિંગ ફિઝિક્સ ઇન્સ્ટિટ્યૂટમાં તેના અગ્રણીઓમાંના એક લેબેડેન્કો 2001 થી યુકેમાં ઝેપ્લિન-III ના નિર્માણમાં સામેલ હતા. તેની સાથે વિકસાવવામાં આવ્યું હતું, પરંતુ ઝડપી ટાઇમસ્કેલ પર, ઝેપલીન-II એ વિશ્વમાં કાર્યરત પ્રથમ WIMP ડિટેક્ટર હતું (2005). આ તકનીકને XENon કાર્યક્રમ દ્વારા પણ ખૂબ જ સફળતાપૂર્વક અપનાવવામાં આવી હતી. ડબલ્યુ. એ. આર. પી. સહયોગ અને એ. આર. ડી. એમ. દ્વારા શ્યામ દ્રવ્યની શોધ માટે બે તબક્કાના આર્ગોનનો પણ ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે. એલયુએક્સ એવી સમાન પ્રણાલીઓ વિકસાવી રહ્યું છે જેણે સુધારેલી મર્યાદાઓ નક્કી કરી છે. ઝેડઇપીએલઆઇએન (લિક્વિડ નોબલ વાયુઓમાં ઝોનએડ પ્રમાણસર સિન્ટિલેશન) પ્રયોગોની શ્રેણી એ યુકે ડાર્ક મેટર સહયોગ દ્વારા પ્રવાહી ઝેનોનનો ઉપયોગ કરીને અનુસરવામાં આવેલો પ્રગતિશીલ કાર્યક્રમ હતો. તે ડી. આર. આઈ. એફ. ટી. કાર્યક્રમની સાથે વિકસ્યું જેણે ડબલ્યુ. આઈ. એમ. પી. સ્કેટરિંગ પર દિશાસૂચક માહિતી પુનઃપ્રાપ્ત કરવા માટે ગેસથી ભરેલા ટી. પી. સી. ના ઉપયોગને પ્રોત્સાહન આપ્યું. 1980ના દાયકાના અંતમાં UKDMCએ ક્રાયોજેનિક LiF, CaF2, સિલિકોન અને જર્મેનિયમ સહિત વિવિધ સામગ્રીઓ અને તકનીકોની સંભવિતતાની શોધ કરી હતી, જેમાંથી બોલ્બી ખાતે ઓરડાના તાપમાનના NaI (Tl) સિન્ટિલેટર પર આધારિત એક કાર્યક્રમ ઉભરી આવ્યો હતો. નવી લક્ષ્ય સામગ્રી, પ્રવાહી ઝેનોન તરફનું અનુગામી પગલું એ અનુભૂતિથી પ્રેરિત હતું કે ઉમદા પ્રવાહી લક્ષ્યો સ્વાભાવિક રીતે વધુ સ્કેલેબલ છે અને નીચા ઉર્જા થ્રેશોલ્ડ અને વધુ સારા પૃષ્ઠભૂમિ ભેદભાવ પ્રાપ્ત કરી શકે છે. ખાસ કરીને, જથ્થાબંધ લક્ષ્યના બાહ્ય સ્તરો, જે બાહ્ય પશ્ચાદભૂથી વધુ પ્રભાવિત થાય છે, માહિતી વિશ્લેષણ દરમિયાન બલિદાન આપી શકાય છે જો ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓની સ્થિતિ જાણીતી હોય; આ સંભવિત રીતે ખૂબ જ ઓછા પૃષ્ઠભૂમિ દર સાથે આંતરિક વિશ્વાસપાત્ર કદને છોડી દે છે. આ સ્વ-રક્ષણ અસર (સૂચિત ઝેડઇપીએલઆઇએન ટૂંકાક્ષરમાં 'ઝોન' શબ્દ દ્વારા સૂચિત) ક્રિસ્ટલ ડિટેક્ટર્સ સાથે અપનાવવામાં આવેલા મોડ્યુલર અભિગમ પર આધારિત તકનીકોની તુલનામાં આ લક્ષ્યોની સંવેદનશીલતામાં ઝડપી લાભ સમજાવે છે, જ્યાં દરેક મોડ્યુલ તેની પોતાની પૃષ્ઠભૂમિ લાવે છે. ઝેપ્લિન-I, 3 કિલો પ્રવાહી ઝેનોન લક્ષ્ય, 1990ના દાયકાના અંતથી બોલ્બી ખાતે કાર્યરત હતું. તે પૃષ્ઠભૂમિ અસ્વીકાર માટે પલ્સ આકારના ભેદભાવનો ઉપયોગ કરે છે, WIMPs અને પૃષ્ઠભૂમિ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓને કારણે થતા ચમકતા પ્રકાશના સમયના ગુણધર્મો વચ્ચેના નાના પરંતુ મદદરૂપ તફાવતનો ઉપયોગ કરે છે. આ પછી બે તબક્કાની પ્રણાલીઓ ઝેપ્લિન-II અને ઝેપ્લિન-III દ્વારા અનુસરવામાં આવી હતી, જે અનુક્રમે આરએએલ/યુસીએલએ અને ઇમ્પિરિયલ કોલેજમાં સમાંતર ડિઝાઇન અને બનાવવામાં આવી હતી. ઝેપલીન-II એ વિશ્વમાં શ્યામ દ્રવ્યની શોધ માટે તૈનાત કરવામાં આવેલી પ્રથમ બે તબક્કાની પ્રણાલી હતી; તેમાં 30 કિલો પ્રવાહી ઝેનોન લક્ષ્યનો સમાવેશ થતો હતો, જે કહેવાતા ત્રણ-ઇલેક્ટ્રોડ રૂપરેખાંકનમાં ગેસના 3 મીમી સ્તર દ્વારા ટોચ પર હતુંઃ પ્રવાહી સપાટીની નીચે વધારાના ઇલેક્ટ્રોડનો ઉપયોગ કરીને (ગેસની ઉપર સ્થિત એનોડ ગ્રીડ અને ચેમ્બરના તળિયે કેથોડ ઉપરાંત) પ્રવાહીના જથ્થા (ડબલ્યુઆઇએમપી લક્ષ્ય) અને તેની ઉપરના ગેસ પ્રદેશમાં અલગ વિદ્યુત ક્ષેત્રો લાગુ કરવામાં આવતા હતા. ઝેપ્લિન-II માં 7 ફોટોમલ્ટીપ્લાયરની શ્રેણીએ ગેસ તબક્કામાં ચેમ્બરને ઉપરથી જોયું હતું. ઝેપ્લિન-III ની દરખાસ્ત 1990 ના દાયકાના અંતમાં કરવામાં આવી હતી, જે અંશતઃ આઇ. ટી. ઇ. પી. ખાતે વિકસાવવામાં આવેલી સમાન વિભાવના પર આધારિત હતી, અને ઇમ્પિરિયલ કોલેજમાં પ્રોફેસર ટિમ સુમનર અને તેમની ટીમ દ્વારા બનાવવામાં આવી હતી. તેને 2006ના અંતમાં બોલ્બી ખાતે ભૂગર્ભમાં તૈનાત કરવામાં આવ્યું હતું, જ્યાં તે 2011 સુધી કાર્યરત હતું. તે બે-ઇલેક્ટ્રોડ ચેમ્બર હતું, જ્યાં ગેસમાં ઇલેક્ટ્રોનનું ઉત્સર્જન વધારાના ઇલેક્ટ્રોડને બદલે પ્રવાહી જથ્થામાં મજબૂત (4 કેવી/સે. મી.) ક્ષેત્ર દ્વારા પ્રાપ્ત કરવામાં આવતું હતું. ફોટોમલ્ટીપ્લાયર એરેમાં 31 ફોટોન ડિટેક્ટર્સ હતા જે નીચેથી ડબલ્યુઆઇએમપી લક્ષ્યને જોઈ રહ્યા હતા, જે ઠંડા પ્રવાહી ઝેનોનમાં ડૂબી ગયા હતા. ઝેપ્લિન-II અને-III ને હેતુપૂર્વક જુદી જુદી રીતે ડિઝાઇન કરવામાં આવી હતી, જેથી દરેક પેટા-પ્રણાલીમાં કાર્યરત તકનીકોનું મૂલ્યાંકન કરી શકાય અને યુકેડીએમસી દ્વારા પ્રસ્તાવિત અંતિમ પ્રયોગ માટે પસંદ કરી શકાયઃ એક ટન-સ્કેલ ઝેનોન લક્ષ્ય (ઝેપ્લિન-મેક્સ) જે તે સમયે (1 × 10−10 પીબી) સિદ્ધાંત દ્વારા તરફેણ કરાયેલ મોટાભાગની પરિમાણ જગ્યાની તપાસ કરવામાં સક્ષમ છે, જો કે આ પછીની પ્રણાલી ભંડોળના અભાવને કારણે યુકેમાં ક્યારેય બનાવવામાં આવી ન હતી. પરિણામો જો કે ઝેપલીન-III પ્રવાહી ઝેનોન લક્ષ્ય તેના ઝેપલીન પુરોગામીઓના સમાન સ્કેલ પર બનાવવામાં આવ્યું હતું, તેમ છતાં તેણે પ્રાપ્ત કરેલા ઉચ્ચ ભેદભાવ પરિબળ અને નીચલા એકંદર પૃષ્ઠભૂમિને કારણે ડબ્લ્યુઆઇએમપી સંવેદનશીલતામાં નોંધપાત્ર સુધારા હાંસલ કર્યા હતા. 2011 માં તેણે 50 જીઇવી ડબ્લ્યુઆઇએમપી સમૂહ માટે 3.9 ×10−8 પી. બી. થી ઉપરના સ્પિન-સ્વતંત્ર ડબ્લ્યુઆઇએમપી-ન્યુક્લિયન સ્થિતિસ્થાપક સ્કેટરિંગ ક્રોસ-સેક્શન પર બાકાત મર્યાદા પ્રકાશિત કરી. XENON100 ના પરિણામો જેટલા કડક ન હોવા છતાં, આ 10 ગણા નાના વિશ્વાસપાત્ર સમૂહ સાથે પ્રાપ્ત કરવામાં આવ્યું હતું અને આ ડિટેક્ટર્સમાં અત્યાર સુધીમાં પ્રાપ્ત થયેલ શ્રેષ્ઠ પૃષ્ઠભૂમિ ભેદભાવ દર્શાવ્યો હતો. WIMP-ન્યુટ્રોન સ્પિન-આધારિત ક્રોસ-સેક્શનને 8.0 ×10−3 pbથી ઉપર બાકાત રાખવામાં આવ્યું હતું. તેણે એક અસ્થિર WIMP સ્કેટરિંગ મોડેલને પણ નકારી કાઢ્યું હતું જેણે અન્ય પ્રયોગોમાં સિગ્નલની ગેરહાજરી સાથે DAMA તરફથી સકારાત્મક દાવાને સમાધાન કરવાનો પ્રયાસ કર્યો હતો. સંદર્ભો બાહ્ય કડીઓ ઝેપ્લિન-III પ્રોજેક્ટ બોલ્બી અંડરગ્રાઉન્ડ લેબોરેટરી યુકે ડાર્ક મેટર કોલાબોરેશન એક્સપેરિમેન્ટ્સ ફોર ડાર્ક મેટર સર્ચ રિસર્ચ ઇન્સ્ટિટ્યુટ્સ ઇન નોર્થ યોર્કશાયર