Cryogenic Dark Matter Search
کریوجینک ڈارک میٹر سرچ (سی ڈی ایم ایس) تجربات کا ایک سلسلہ ہے جو کمزور انٹرایکٹنگ ماسیو پارٹیکلز (یا ڈبلیو آئی ایم پیز) کی شکل میں ذرہ سیاہ مادے کا براہ راست پتہ لگانے کے لیے ڈیزائن کیا گیا ہے۔ ملی کیلون درجہ حرارت پر سیمی کنڈکٹر ڈٹیکٹرز کی ایک صف کا استعمال کرتے ہوئے، سی ڈی ایم ایس نے بعض اوقات زمینی مواد کے ساتھ ڈبلیو آئی ایم پی تاریک مادے کے تعاملات پر انتہائی حساس حدود طے کی ہیں (2018 تک، سی ڈی ایم ایس کی حدود سب سے زیادہ حساس نہیں ہیں)۔ پہلا تجربہ، سی ڈی ایم ایس I، اسٹینفورڈ یونیورسٹی کیمپس کے نیچے ایک سرنگ میں چلایا گیا تھا۔ اس کے بعد سوڈان کان میں سی ڈی ایم ایس II کا تجربہ ہوا۔ سب سے حالیہ تجربہ، سپر سی ڈی ایم ایس (یا سپر سی ڈی ایم ایس سوڈان)، شمالی مینیسوٹا میں سوڈان کان میں گہرے زیر زمین واقع تھا اور اس نے 2011 سے 2015 تک کے اعداد و شمار جمع کیے تھے۔ تجربات کا سلسلہ سپر سی ڈی ایم ایس ایس این او ایل اے بی کے ساتھ جاری ہے، جو کینیڈا میں اونٹاریو کے سڈبری کے قریب ایس این او ایل اے بی کی سہولت پر واقع ایک تجربہ ہے جس کی تعمیر 2018 میں شروع ہوئی تھی اور توقع ہے کہ 2020 کی دہائی کے اوائل میں ڈیٹا لینا شروع ہو جائے گا۔ کائنات کے بڑے پیمانے کے ڈھانچے کے پس منظر کے مشاہدات سے پتہ چلتا ہے کہ مادے کو بہت بڑے ڈھانچوں میں جمع کیا گیا ہے جن کے پاس اپنی خود کشش ثقل کی طاقت کے تحت بننے کا وقت نہیں ہے۔ عام طور پر یہ خیال کیا جاتا ہے کہ گمشدہ کمیت کی کوئی شکل ان پیمانوں پر کشش ثقل کو بڑھانے کا ذمہ دار ہے، حالانکہ اس کمیت کا براہ راست مشاہدہ نہیں کیا گیا ہے۔ یہ ایک مسئلہ ہے ؛ خلا میں عام مادہ اس وقت تک گرم ہو جائے گا جب تک کہ وہ روشنی نہیں دیتا، لہذا اگر یہ گمشدہ کمیت موجود ہے، تو اسے عام طور پر ایسی شکل میں سمجھا جاتا ہے جو زمین پر عام طور پر نہیں دیکھا جاتا ہے۔ گمشدہ عوام کے لیے متعدد مجوزہ امیدواروں کو وقت کے ساتھ پیش کیا گیا ہے۔ ابتدائی امیدواروں میں بھاری بیرون شامل تھے جنہیں بگ بینگ میں بنانا پڑتا، لیکن ایسا لگتا ہے کہ نیوکلیوسنتھیس پر حالیہ کام نے ان میں سے بیشتر کو مسترد کر دیا ہے۔ ایک اور امیدوار ذرات کی نئی اقسام ہیں جنہیں کمزور تعامل کرنے والے بڑے ذرات، یا "ڈبلیو آئی ایم پی" کے نام سے جانا جاتا ہے۔ جیسا کہ نام سے ظاہر ہوتا ہے، ڈبلیو آئی ایم پی عام مادے کے ساتھ کمزور تعامل کرتے ہیں، جس سے یہ واضح ہوتا ہے کہ وہ آسانی سے کیوں نظر نہیں آتے۔ اس طرح ڈبلیو آئی ایم پیز کا پتہ لگانا ایک مسئلہ پیش کرتا ہے ؛ اگر ڈبلیو آئی ایم پیز بہت کمزور طور پر تعامل کر رہے ہیں، تو ان کا پتہ لگانا انتہائی مشکل ہوگا۔ سی ڈی ایم ایس جیسے ڈٹیکٹر اور اسی طرح کے تجربات انتہائی نایاب ڈبلیو آئی ایم پی واقعات کو تلاش کرنے کے لیے اپنے ڈٹیکٹر حجم کے اندر بڑی تعداد میں تعاملات کی پیمائش کرتے ہیں۔ پتہ لگانے کی ٹیکنالوجی سی ڈی ایم ایس ڈٹیکٹر اپنے جرمینیئم اور سلکان کرسٹل سبسٹریٹس میں ہر ذرہ تعامل سے پیدا ہونے والے آئنائزیشن اور فونون کی پیمائش کرتے ہیں۔ یہ دونوں پیمائش ہر تعامل میں کرسٹل میں جمع ہونے والی توانائی کا تعین کرتی ہیں، بلکہ یہ بھی معلومات دیتی ہیں کہ اس واقعے کی وجہ کس قسم کا ذرہ ہے۔ آئنائزیشن سگنل اور فونون سگنل کا تناسب جوہری الیکٹرانوں ("الیکٹران ریکوئلز") اور جوہری مرکزوں ("نیوکلیئر ریکوئلز") کے ساتھ ذرہ تعاملات کے لیے مختلف ہوتا ہے۔ پس منظر کے ذرہ تعاملات کی اکثریت الیکٹران ریکوئلز ہیں، جبکہ ڈبلیو آئی ایم پیز (اور نیوٹرون) سے توقع کی جاتی ہے کہ وہ جوہری ریکوئلز تیار کریں گے۔ یہ ڈبلیو آئی ایم پی بکھرے ہوئے واقعات کی شناخت کرنے کی اجازت دیتا ہے حالانکہ وہ ناپسندیدہ پس منظر کے تعاملات کی اکثریت کے مقابلے میں نایاب ہیں۔ سپرسیمیٹری سے، ڈبلیو آئی ایم پی اور نیوکلئس کے درمیان اسپن آزاد تعامل کا امکان نیوکلئس میں نیوکلین کی تعداد سے متعلق ہوگا۔ اس طرح، ایک ڈبلیو آئی ایم پی کے سلکان ڈٹیکٹر کے مقابلے میں جرمنیم ڈٹیکٹر کے ساتھ تعامل کرنے کا زیادہ امکان ہوگا، کیونکہ جرمنیم ایک بہت بھاری عنصر ہے۔ نیوٹرون اسی طرح کے امکانات کے ساتھ سلکان اور جرمینیئم ڈٹیکٹر دونوں کے ساتھ تعامل کرنے کے قابل ہوں گے۔ سلکان اور جرمینیئم ڈٹیکٹرز کے درمیان تعاملات کی شرحوں کا موازنہ کرکے، سی ڈی ایم ایس نیوٹرانوں کی وجہ سے ہونے والے تعاملات کے امکان کا تعین کرنے کے قابل ہے۔ سی ڈی ایم ایس ڈٹیکٹر جرمنیم یا سلکان کی ڈسک ہوتی ہیں، جنہیں ڈائلیوشن ریفریجریٹر کے ذریعے ملی کیلون درجہ حرارت تک ٹھنڈا کیا جاتا ہے۔ تھرمل شور کو محدود کرنے کے لیے انتہائی کم درجہ حرارت کی ضرورت ہوتی ہے جو بصورت دیگر ذرہ تعاملات کے فونون سگنلز کو غیر واضح کر دے گا۔ فونون کا پتہ لگانا سپر کنڈکشن ٹرانزیشن ایج سینسرز (ٹی ای ایس) کے ساتھ مکمل کیا جاتا ہے جسے ایس کیو یو آئی ڈی ایمپلیفائرز کے ذریعے پڑھا جاتا ہے، جبکہ آئنائزیشن سگنلز کو ایف ای ٹی ایمپلیفائر کا استعمال کرتے ہوئے پڑھا جاتا ہے۔ سی ڈی ایم ایس ڈٹیکٹر فونون پلس کی شکل کے بارے میں ڈیٹا بھی فراہم کرتے ہیں جو قریب سطح کے پس منظر کے واقعات کو مسترد کرنے میں اہم ہے۔ کم درجہ حرارت پر سیمی کنڈکٹر کے ساتھ نیوٹرینو کا بولومیٹرک پتہ لگانے کی تجویز سب سے پہلے بلاس کیبریرا، لارنس ایم کراس، اور فرینک ولزک نے پیش کی تھی، اور مارک گڈ مین اور ایڈورڈ وٹن نے ڈبلیو آئی ایم پی کا پتہ لگانے کے لیے اسی طرح کا طریقہ تجویز کیا تھا۔ سی ڈی ایم ایس میں نے اسٹینفورڈ یونیورسٹی 1998-2002 میں ایک اتلی زیر زمین سائٹ (جسے ایس یو ایف کہا جاتا ہے) میں ڈبلیو آئی ایم پی سرچ ڈیٹا اکٹھا کیا۔ سی ڈی ایم ایس II نے 2003 سے 2009 تک سوڈان کان میں (مینیسوٹا یونیورسٹی کے تعاون سے) کام کیا (ڈیٹا لے کر 2006-2008)۔ جدید ترین تجربہ، سپر سی ڈی ایم ایس (یا سپر سی ڈی ایم ایس سوڈان)، انٹرلییوڈ الیکٹروڈز، زیادہ بڑے پیمانے پر، اور اس سے بھی بہتر پس منظر کے رد کے ساتھ سوڈان 2011-2015 پر ڈیٹا لے رہا تھا۔ تجربات کا سلسلہ سپر سی ڈی ایم ایس ایس این او ایل اے بی کے ساتھ جاری ہے، جو اس وقت (2018) ایس این او ایل اے بی میں زیر تعمیر ہے اور 2020 کی دہائی کے اوائل میں مکمل ہونا ہے۔ تجربات کے سلسلے میں سی ڈی ایم سلائٹ تجربہ بھی شامل ہے جس میں سوڈان میں سپر سی ڈی ایم ایس ڈٹیکٹرز کو آپریٹنگ موڈ (جسے سی ڈی ایم سلائٹ موڈ کہا جاتا ہے) میں استعمال کیا گیا تھا جس کا مقصد خاص طور پر کم بڑے پیمانے پر ڈبلیو آئی ایم پیز کے لیے حساس ہونا تھا۔ چونکہ سی ڈی ایم ایس تجربے میں متعدد مختلف ڈٹیکٹر ٹیکنالوجیز استعمال میں ہیں، خاص طور پر، جرمینیئم یا سلکان پر مبنی 2 قسم کے ڈٹیکٹر، بالترتیب، سی ڈی ایم ایس-تجربہ ڈٹیکٹرز کی کچھ مخصوص ترتیب سے حاصل کردہ تجربات اور اس طرح جمع کیے گئے مختلف ڈیٹا سیٹس کو بعض اوقات سی ڈی ایم ایس جی ای، سی ڈی ایم ایس سی، سی ڈی ایم ایس II سی وغیرہ جیسے نام دیے جاتے ہیں۔ نتائج 17 دسمبر 2009 کو، تعاون نے دو امیدوار ڈبلیو آئی ایم پیز کے ممکنہ پتہ لگانے کا اعلان کیا، ایک 8 اگست 2007 کو، اور دوسرا 27 اکتوبر 2007 کو۔ واقعات کی کم تعداد کی وجہ سے، ٹیم پس منظر کے شور جیسے نیوٹرون کے تصادم سے غلط مثبت کو خارج کر سکتی ہے۔ یہ اندازہ لگایا گیا ہے کہ اس طرح کا شور 25 فیصد وقت میں دو یا زیادہ واقعات پیدا کرے گا۔ کسی بھی نیوٹران پس منظر کو کم کرنے کے لیے پولی تھین جذب کرنے والے نصب کیے گئے تھے۔ کم توانائی کی حد کے ساتھ 2011 کے تجزیے میں، کم بڑے پیمانے پر ڈبلیو آئی ایم پیز (ایم <9 جی ای وی) کے ثبوت تلاش کیے گئے۔ ان کی حدود کوجینٹ نامی ایک نئے جرمنیم تجربے اور دیرینہ ڈی اے ایم اے/این اے آئی، ڈی اے ایم اے/ایل آئی بی آر اے سالانہ ماڈیولیشن کے نتیجے میں دعوی کردہ اشارے کو مسترد کرتی ہیں۔ فزیکل ریویو لیٹرز مئی 2013 میں اعداد و شمار کے مزید تجزیے سے 0.7 کے متوقع پس منظر کے ساتھ 3 ڈبلیو آئی ایم پی کا پتہ چلا، جس میں ڈبلیو آئی ایم پیز سے عوام کی توقع کی جاتی ہے، بشمول نیوٹرلینو۔ ایک 0.19% امکان ہے کہ یہ غیر معمولی پس منظر کا شور ہے، جس سے نتیجہ 99.8% (3 سگما) اعتماد کی سطح دیتا ہے۔ اگرچہ ڈبلیو آئی ایم پیز کے لیے حتمی ثبوت نہیں ہے لیکن یہ نظریات کو مضبوط وزن فراہم کرتا ہے۔ اس سگنل کا مشاہدہ سی ڈی ایم ایس II-تجربے کے ذریعے کیا گیا تھا اور اسے سی ڈی ایم ایس سی-سگنل کہا جاتا ہے (بعض اوقات اس تجربے کو سی ڈی ایم ایس سی بھی کہا جاتا ہے) کیونکہ اس کا مشاہدہ سلکان ڈٹیکٹرز کے ذریعے کیا گیا تھا۔ اکتوبر 2012 سے جون 2013 تک سپر سی ڈی ایم ایس کے تلاش کے نتائج جون 2014 میں شائع ہوئے، جس میں 30 جی ای وی سے کم ڈبلیو آئی ایم پی ماس کے لیے سگنل کے علاقے میں 11 واقعات تلاش کیے گئے، اور حالیہ کوجینٹ کم ماس سگنل کو ناپسند کرنے والے اسپن آزاد کراس سیکشن کے لیے ایک اوپری حد مقرر کی گئی۔ سپر سی ڈی ایم ایس ایس این او ایل اے بی کے لیے سپر سی ڈی ایم ایس کی دوسری نسل کا منصوبہ بنایا گیا ہے۔ اسے سپر سی ڈی ایم ایس سوڈان سے ہر طرح سے بڑھایا جاتا ہے: انفرادی ڈٹیکٹر ڈسکس 100 ملی میٹر/3.9 "قطر × 33.3 ملی میٹر/1.3" موٹی ہوتی ہیں، 225% سوڈان میں 76.2 ملی میٹر/3 "قطر × 25.4 ملی میٹر/1" موٹی ڈسکس کا حجم۔ ان میں سے مزید ہیں، جن میں سے ہر ایک میں چھ ڈسکس کے 31 "ٹاورز" کے لیے جگہ ہے، حالانکہ آپریشن صرف چار ٹاورز سے شروع ہوگا۔ ڈٹیکٹر کو SNOLAB میں اس کے گہرے مقام اور تعمیر میں تابکاری کی پاکیزگی پر زیادہ توجہ دونوں کی وجہ سے بہتر تحفظ حاصل ہے۔ ڈٹیکٹر ماس میں اضافہ اتنا بڑا نہیں ہے، کیونکہ تقریبا 25 فیصد ڈٹیکٹر سلکان سے بنے ہوں گے، جس کا وزن صرف 44 فیصد ہے۔ اس تناسب سے تمام 31 ٹاورز کو بھرنے کے نتیجے میں تقریبا 222 کلو گرام کا نقصان ہوگا حالانکہ اس منصوبے میں بار بار تاخیر ہوئی ہے (پہلے کے منصوبوں کی تعمیر 2014 اور 2016 میں شروع ہونے کی امید تھی)، یہ فعال ہے، جس میں SNOLAB میں جگہ مختص کی گئی ہے اور 2018 کے اوائل میں طے شدہ تعمیر کا آغاز ہوگا۔ ایس این او ایل اے بی میں سپر سی ڈی ایم ایس کی تعمیر 2018 میں شروع ہوئی اور 2020 کی دہائی کے اوائل میں کام شروع ہوا۔ اس وقت پروجیکٹ کا بجٹ 34 ملین امریکی ڈالر تھا۔ مئی 2021 میں، سپر سی ڈی ایم ایس ایس این او ایل اے بی ڈٹیکٹر زیر تعمیر تھا، جس میں ابتدائی سائنس (یا پروٹو ٹائپنگ، یا ابتدائی مطالعات) ایس این او ایل اے بی کے مقام اور دیگر مقامات پر پروٹائپ/ٹیسٹنگ ہارڈ ویئر کے ساتھ جاری تھا۔ مکمل ڈٹیکٹر سے توقع کی جارہی تھی کہ وہ 2023 کے آخر میں سائنس کے اعداد و شمار کے لیے تیار ہو جائے گا، اور سائنس کی کارروائیاں 4 سال (دو الگ الگ رنوں کے ساتھ) 2027 سے آگے ممکنہ توسیع اور پیشرفت کے ساتھ ہوں گی۔ جی ای او ڈی ایم تجویز سپر سی ڈی ایم ایس کی تیسری نسل کا تصور کیا گیا ہے، حالانکہ یہ ابھی ابتدائی منصوبہ بندی کے مرحلے میں ہے۔ جیوڈم (جرمنیم آبزرویٹری فار ڈارک میٹر)، جس میں تقریبا 1500 کلو گرام ڈٹیکٹر ماس ہے، نے اسنو لیب "کریوپٹ" کے مقام میں دلچسپی ظاہر کی ہے۔ ڈٹیکٹر ماس کو بڑھانا ڈٹیکٹر کو صرف اس صورت میں زیادہ حساس بناتا ہے جب ناپسندیدہ پس منظر کا پتہ لگانے میں بھی اضافہ نہ ہو، اس طرح ہر نسل کو پہلے سے زیادہ صاف اور بہتر ڈھال والا ہونا چاہیے۔ اس طرح کے دس گنا مراحل میں تعمیر کا مقصد جی ای او ڈی ایم ڈیزائن کو حتمی شکل دینے سے پہلے ضروری شیلڈنگ تکنیک تیار کرنا ہے۔ حوالہ جات بیرونی روابط سپر سی ڈی ایم ایس ویب سائٹ تجربات برائے تاریک مادے کی تلاش فرمیلاب تجربات