Time projection chamber
طبیعیات میں، ٹائم پروجیکشن چیمبر (ٹی پی سی) ایک قسم کا پارٹیکل ڈیٹیکٹر ہے جو کسی ذرہ کی رفتار یا تعامل کی سہ جہتی تعمیر نو انجام دینے کے لیے گیس یا مائع کے حساس حجم کے ساتھ برقی شعبوں اور مقناطیسی شعبوں کے امتزاج کا استعمال کرتا ہے۔ اصل ڈیزائن اصل ٹی پی سی کو 1970 کی دہائی کے آخر میں لارنس برکلے لیبارٹری میں ایک امریکی طبیعیات دان ڈیوڈ آر نیگرین نے ایجاد کیا تھا۔ اس کا پہلا بڑا استعمال پی ای پی-4 ڈٹیکٹر میں تھا، جس نے ایس ایل اے سی میں پی ای پی اسٹوریج رنگ میں 29 جی ای وی الیکٹران پوزیٹرون تصادم کا مطالعہ کیا۔ ایک ٹائم پروجیکشن چیمبر پوزیشن حساس الیکٹران کلیکشن سسٹم کے ساتھ برقی میدان میں گیس سے بھرے پتہ لگانے کے حجم پر مشتمل ہوتا ہے۔ اصل ڈیزائن (اور سب سے زیادہ استعمال ہونے والا) ایک سلنڈریکل چیمبر ہے جس میں ملٹی تار متناسب چیمبرز (ایم ڈبلیو پی سی) اینڈ پلیٹس کے طور پر ہیں۔ اس کی لمبائی کے ساتھ، چیمبر کو مرکزی ہائی وولٹیج الیکٹروڈ ڈسک کے ذریعے حصوں میں تقسیم کیا جاتا ہے، جو مرکز اور اختتامی پلیٹوں کے درمیان برقی میدان قائم کرتا ہے۔ مزید برآں، مقناطیسی میدان اکثر سلنڈر کی لمبائی کے ساتھ، برقی میدان کے متوازی لگایا جاتا ہے، تاکہ گیس کے آئنائزیشن سے آنے والے الیکٹرانوں کے پھیلاؤ کو کم سے کم کیا جا سکے۔ ڈٹیکٹر گیس سے گزرنے پر، ایک ذرہ اپنے راستے پر بنیادی آئنائزیشن پیدا کرے گا۔ زیڈ کوآرڈینیٹ (سلنڈر محور کے ساتھ) کا تعین آخر میں آئنائزیشن ایونٹ سے ایم ڈبلیو پی سی تک بہاؤ کے وقت کی پیمائش کرکے کیا جاتا ہے۔ یہ ڈرفٹ چیمبر کی معمول کی تکنیک کا استعمال کرتے ہوئے کیا جاتا ہے۔ آخر میں ایم ڈبلیو پی سی کو ایزموتھل سمت، θ میں انوڈ تاروں کے ساتھ ترتیب دیا جاتا ہے، جو ریڈیل کوآرڈینیٹ، r کے بارے میں معلومات فراہم کرتا ہے۔ ایزموتھل سمت حاصل کرنے کے لیے، ہر کیتھوڈ طیارہ ریڈیل سمت کے ساتھ سٹرپس میں تقسیم ہوتا ہے۔ حالیہ برسوں میں پوزیشن حساس الیکٹران امپلیفیکیشن اور پتہ لگانے کے دیگر ذرائع زیادہ وسیع پیمانے پر استعمال ہونے لگے ہیں، خاص طور پر نیوکلیئر فزکس میں ٹائم پروجیکشن چیمبرز کے بڑھتے ہوئے استعمال کے ساتھ۔ یہ عام طور پر ایک منقسم انوڈ پلیٹ کو یا تو صرف ایک فریش گرڈ یا ایک فعال الیکٹران ضرب عنصر جیسے گیس الیکٹران ضرب کے ساتھ جوڑتے ہیں۔ یہ نئے ٹی پی سی ایک سلنڈر کی روایتی جیومیٹری سے بھی الگ ہوتے ہیں جس میں ایک محوری میدان ہوتا ہے جو فلیٹ جیومیٹری یا ریڈیل فیلڈ والے سلنڈر کے حق میں ہوتا ہے۔ ذرہ طبیعیات کے ابتدائی محققین بھی عام طور پر بیم لائن کے اوپر یا نیچے براہ راست ترتیب دی گئی زیادہ آسان باکس کی شکل کی جیومیٹری کا استعمال کرتے تھے، جیسے کہ CERN NA49 اور NA35 تجربات میں۔ مائع آرگون ٹائم پروجیکشن چیمبر (ایل اے آر ٹی پی سی) 1974 میں، ولیم جے ولیس اور ویلجکو راڈیکا نے مظاہرہ کیا کہ مائع آرگون ڈٹیکٹرز میں مکمل جذب کیلوریمیٹری اس امپلیفکیشن کے بغیر ممکن ہے جو عام طور پر گیسس آئنائزیشن ڈٹیکٹر میں ہوتی ہے۔ اس اہم ٹیکنالوجی نے نیگرین کے اصل ڈیزائن پر مبنی ٹائم پروجیکشن چیمبر کے امکان کو فعال کیا، لیکن گیس کے بجائے مائع ارجن کو حساس میڈیم کے طور پر استعمال کیا۔ 1976 میں، ہربرٹ ایچ چن نے یونیورسٹی آف کیلیفورنیا، ارون اور کیلیفورنیا انسٹی ٹیوٹ آف ٹیکنالوجی کے ساتھیوں کے ساتھ مل کر ٹائم پروجیکشن چیمبر (ایل اے آر ٹی پی سی) میں مائع ارجن کے ابتدائی استعمال میں سے ایک کی تجویز پیش کی۔ اس طرح کے ڈٹیکٹر کے ساتھ چن کے ابتدائی اہداف نیوٹرینو-الیکٹران بکھرنے کا مطالعہ کرنا تھے، لیکن اہداف شمسی یا کائناتی نیوٹرینو یا پروٹون کے انحطاط کی پیمائش کے لیے تیار ہوئے۔ 1977 میں، کارلو ربیا نے آزادانہ طور پر، اور تقریبا بیک وقت، نایاب واقعہ ذرہ طبیعیات کے تجربات کے لیے سی ای آر این میں ایل اے آر ٹی پی سی کی تعمیر کی تجویز پیش کی۔ ڈٹیکٹر ڈیزائن اور خصوصیات مائع ارجن کئی وجوہات کی بناء پر ایک حساس میڈیم کے طور پر فائدہ مند ہے۔ حقیقت یہ ہے کہ آرگان ایک عمدہ عنصر ہے اور اس وجہ سے اس میں الیکٹرونگیٹیویٹی ختم ہو رہی ہے اس کا مطلب یہ ہے کہ آئنائزنگ تابکاری سے پیدا ہونے والے الیکٹرانوں کو جذب نہیں کیا جائے گا کیونکہ وہ ڈٹیکٹر ریڈ آؤٹ کی طرف بڑھ رہے ہیں۔ آرگن اس وقت بھی چمکتا ہے جب ایک توانا چارج شدہ ذرہ گزرتا ہے، جس سے متعدد چمکدار فوٹون خارج ہوتے ہیں جو گزرتے ہوئے ذرہ کے ذریعہ آرگن میں جمع ہونے والی توانائی کے متناسب ہوتے ہیں۔ مائع ارجن بھی نسبتا سستا ہے، جو بڑے پیمانے کے منصوبوں کو معاشی طور پر قابل عمل بناتا ہے۔ تاہم، مائع ارجن کو حساس میڈیم کے طور پر استعمال کرنے کے بنیادی محرکات میں سے ایک اس کی کثافت ہے۔ مائع ارجن نیگرین کے ٹی پی سی ڈیزائن میں استعمال ہونے والی گیس سے تقریبا ایک ہزار گنا زیادہ گھنے ہوتے ہیں، جس سے تقریبا ایک ہزار کے عنصر کے ذریعے ڈٹیکٹر میں کسی ذرہ کے تعامل کا امکان بڑھ جاتا ہے۔ یہ خصوصیت خاص طور پر نیوٹرینو فزکس میں مفید ہے، جہاں نیوٹرینو-نیوکلین تعامل کے کراس سیکشن چھوٹے ہوتے ہیں۔ ایک عام ایل اے آر ٹی پی سی کا جسم تین حصوں پر مشتمل ہوتا ہے۔ ڈٹیکٹر کے ایک طرف ایک ہائی وولٹیج کیتھوڈ طیارہ ہوتا ہے، جو ٹی پی سی کے پار بہاؤ برقی میدان قائم کرنے کے لیے استعمال ہوتا ہے۔ اگرچہ صحیح برقی صلاحیت جس پر یہ سیٹ کیا گیا ہے وہ ڈٹیکٹر جیومیٹری پر منحصر ہے، یہ ہائی وولٹیج کیتھوڈ عام طور پر ڈٹیکٹر کے پار 500 V/cm کا ڈرفٹ فیلڈ پیدا کرتا ہے۔ کیتھوڈ طیارہ کے مخالف سمت میں انوڈ تار طیاروں کا ایک مجموعہ ہوتا ہے جو کیتھوڈ کے مقابلے میں بہت زیادہ (کم منفی) صلاحیت پر سیٹ ہوتا ہے۔ ہر طیارہ اپنے پڑوسیوں سے ایک چھوٹے سے وقفے سے الگ ہوتا ہے، عام طور پر 1 سینٹی میٹر کی ترتیب پر۔ ایک طیارہ کئی متوازی چلنے والی تاروں پر مشتمل ہوتا ہے جن کا فاصلہ چند ملی میٹر ہوتا ہے، اور وہ زاویہ جس پر تار عمودی سے متعلق ہوتے ہیں، طیارہ سے طیارہ میں مختلف ہوتا ہے۔ یہ طیارے مل کر ڈرفٹ الیکٹرانوں کے اشاروں کو پڑھتے ہیں۔ این انوڈ تار طیاروں والے ڈٹیکٹر کے لیے، اندرونی این-1 طیاروں کو انڈکشن طیارے کہا جاتا ہے۔ یہ بیرونی طیارہ کے مقابلے میں کم (زیادہ منفی) صلاحیتوں پر سیٹ کیے جاتے ہیں، جس سے ڈرفٹ الیکٹرانوں کو ان سے گزرنے کی اجازت ملتی ہے، جس سے ایسے اشارے آتے ہیں جو ایونٹ کی تعمیر نو کے لیے استعمال ہوتے ہیں۔ بیرونی سطح کو کلیکشن طیارہ کہا جاتا ہے کیونکہ ڈرفٹ الیکٹران ان تاروں پر جمع ہوتے ہیں، جس سے اضافی اشارے پیدا ہوتے ہیں۔ مختلف تار سمتوں کے ساتھ متعدد طیاروں کا ہونا دو جہتی واقعہ کی تعمیر نو کی اجازت دیتا ہے، جبکہ تیسرا طول و عرض الیکٹران ڈرفٹ اوقات سے پایا جاتا ہے۔ تیسرا حصہ کیتھوڈ اور انوڈ کے درمیان ایک فیلڈ کیج ہے۔ یہ فیلڈ کیج کیتھوڈ اور انوڈ کے درمیان ایک یکساں برقی میدان کو برقرار رکھتا ہے، تاکہ ڈرفٹ الیکٹران کے راستے آئنائزیشن کے نقطہ اور انوڈ طیارہ کے درمیان مختصر ترین راستے سے کم سے کم ہٹ جائیں۔ اس کا مقصد واقعہ کی تعمیر نو کے دوران ذرہ رفتار کی مسخ کو روکنا ہے۔ روشنی جمع کرنے کا نظام اکثر بنیادی ایل اے آر ٹی پی سی کے ساتھ چمکتی ہوئی روشنی کے ذریعے کسی واقعہ سے مزید معلومات نکالنے کے ایک ذریعہ کے طور پر ہوتا ہے۔ یہ متحرک کرنے میں بھی اہم کردار ادا کر سکتا ہے، کیونکہ یہ ذرہ کے ڈٹیکٹر سے گزرنے کے بعد صرف نینو سیکنڈ میں چمکتی ہوئی روشنی جمع کرتا ہے۔ یہ نسبتا (1000 گنا کی ترتیب پر) آزاد الیکٹرانوں کے تار کے طیاروں کی طرف بڑھنے میں لگنے والے وقت سے کم ہے، لہذا یہ اکثر کسی واقعہ کے لیے محرک وقت (t0) کے طور پر چمکدار فوٹونوں کے جمع ہونے کے وقت کی حد بندی کرنے کے لیے کافی ہوتا ہے۔ اس محرک وقت کے ساتھ، پھر کوئی الیکٹران کے بہاؤ کے اوقات کو تلاش کر سکتا ہے، جو کسی واقعہ کی سہ جہتی تعمیر نو کو قابل بناتا ہے۔ اگرچہ ایسے نظام واحد ذریعہ نہیں ہیں جن کے ذریعے ایل اے آر ٹی پی سی ٹرگر ٹائم کی شناخت کر سکتا ہے، لیکن وہ سپرنووا اور پروٹون ڈیک جیسے مظاہر کا مطالعہ کرنے کے لیے ضروری ہیں، جہاں گرنے یا تعامل سے گزرنے والے ذرات انسانی ساختہ ایکسلریٹر میں پیدا نہیں ہوتے ہیں اور اس لیے ذرات کے بیم کا وقت معلوم نہیں ہے۔ فوٹو ملٹی پلیئر ٹیوبیں، لائٹ گائیڈز، اور سلکان فوٹو ملٹی پلیئرز اس روشنی کو جمع کرنے کے لیے استعمال ہونے والے آلات کی مثالیں ہیں۔ یہ عام طور پر بہاؤ کے حجم سے بالکل باہر رکھے جاتے ہیں۔ سگنل ریڈ آؤٹ ایک عام ایل اے آر ٹی پی سی میں، ہر انوڈ طیارہ میں ہر تار آر سی سرکٹ کا حصہ ہوتا ہے، جس میں تار خود مزاحم اور کیپسیٹر کے درمیان واقع ہوتا ہے۔ مزاحم کے دوسرے سرے کو بائیس وولٹیج سے منسلک کیا جاتا ہے، اور کیپسیٹر کے دوسرے سرے کو فرنٹ اینڈ الیکٹرانکس سے منسلک کیا جاتا ہے۔ فرنٹ اینڈ الیکٹرانکس سرکٹ میں کرنٹ کو بڑھاتا اور ڈیجیٹائز کرتا ہے۔ وقت کی تقریب کے طور پر یہ امپلیفائیڈ اور ڈیجیٹائزڈ کرنٹ "سگنل" ہے جو ایونٹ کی تعمیر نو میں منتقل ہوتا ہے۔ کسی دیئے گئے انوڈ طیارہ تار کے لیے، پیدا ہونے والے سگنل کی ایک مخصوص شکل ہوگی جو اس بات پر منحصر ہے کہ تار انڈکشن پلین میں واقع ہے یا کلیکشن پلین میں۔ جیسے ہی ڈرفٹ الیکٹران انڈکشن پلین میں تار کی طرف بڑھتا ہے، یہ تار میں کرنٹ کو جنم دیتا ہے، جس سے آؤٹ پٹ کرنٹ میں "ٹکرانا" پیدا ہوتا ہے۔ جیسے ہی الیکٹران ایک تار سے دور جاتا ہے، یہ مخالف سمت میں ایک کرنٹ کو جنم دیتا ہے، جس سے پہلے کی طرح مخالف علامت کا آؤٹ پٹ "ٹکرانا" پیدا ہوتا ہے۔ نتیجہ ایک دو قطبی سگنل ہے۔ اس کے برعکس، کلیکشن پلین تار کے لیے سگنلز یک قطبی ہوتے ہیں، کیونکہ الیکٹران تار سے نہیں گزرتے بلکہ اس کے ذریعے "جمع" ہوتے ہیں۔ ان دونوں جیومیٹریز کے لیے، ایک بڑے سگنل طول و عرض کا مطلب یہ ہے کہ زیادہ ڈرفٹ الیکٹران یا تو تار سے گزرتے ہیں (انڈکشن طیاروں کے لیے) یا اس کے ذریعے جمع کیے گئے تھے (کلیکشن پلین کے لیے)۔ دی گئی انوڈ سطح میں تمام تاروں کے سگنل ریڈ آؤٹ کو ذرہ تعامل کی 2 ڈی تصویر میں منظم کیا جا سکتا ہے۔ اس طرح کی تصویر 2 ڈی طیارہ پر 3 ڈی ذرہ تعامل کا ایک پروجیکشن ہے جس کا نارمل ویکٹر مخصوص انوڈ طیارہ میں تاروں کے متوازی ہوتا ہے۔ ہر ایک انوڈ طیاروں سے مطابقت رکھنے والے 2D پروجیکشنز کو 3D تعامل کو مکمل طور پر دوبارہ تشکیل دینے کے لیے ملایا جاتا ہے۔ دوہری مرحلے والی ٹی پی سی تکنیک خود سب سے پہلے 1970 کی دہائی کے اوائل میں آرگون کا استعمال کرتے ہوئے تابکاری کا پتہ لگانے کے لیے تیار کی گئی تھی۔ زیپلین پروگرام نے ڈبلیو آئی ایم پی سرچز کے لیے دو مراحل والی ٹیکنالوجی کے استعمال کا آغاز کیا۔ ڈٹیکٹرز کی زینون اور ایل یو ایکس سیریز طبیعیات میں اس آلے کے جدید ترین نفاذ کی نمائندگی کرتی ہے۔ ڈارک میٹر ٹائم پروجیکشن چیمبر کمزور تعامل کرنے والے بڑے ذرات (ڈبلیو آئی ایم پیز) کا براہ راست پتہ لگانے کے لیے ایک تجربہ ہے، جو تاریک مادے کے لیے سب سے زیادہ پسندیدہ امیدواروں میں سے ایک ہے۔ یہ تجربہ ممکنہ تاریک مادے کے واقعات کی اصل سمت کو نکالنے کے لیے کم دباؤ والے ٹائم پروجیکشن چیمبر کا استعمال کرتا ہے۔ اس تعاون میں میساچوسٹس انسٹی ٹیوٹ آف ٹیکنالوجی (ایم آئی ٹی)، بوسٹن یونیورسٹی (بی یو)، برانڈیس یونیورسٹی، اور لندن کی رائل ہولووے یونیورسٹی کے طبیعیات دان شامل ہیں۔ ایم آئی ٹی اور بی یو کی لیبارٹریوں میں کئی پروٹو ٹائپ ڈٹیکٹر بنائے اور ٹیسٹ کیے گئے ہیں۔ اس تعاون نے اپنا پہلا ڈیٹا فال، 2010 میں کارلسبیڈ، نیو میکسیکو کے قریب ویسٹ آئسولیشن پائلٹ پلانٹ (ڈبلیو آئی پی پی) سائٹ پر زیر زمین لیبارٹری میں لیا۔ ڈارک میٹر ٹائم پروجیکشن چیمبر نے 2010 میں سرفیس رن کے پہلے نتائج شائع کیے، جس میں اسپن پر منحصر کراس سیکشن کی حد مقرر کی گئی۔ نوٹ حوالہ جات مزید پڑھنے والے پارٹیکل ڈٹیکٹر