- ફયુચર સાયન્સ-કે.આર.ચૌધરી
આ પણું બ્રહ્માંડ એક રહસ્યમય પુસ્તક જેવું છે, જેના દરેક પાને કંઈક નવું અને આશ્ચર્યજનક છુપાયેલું છે. આ રહસ્યોમાંથી એક રહસ્યમય પ્રકરણ ન્યુટ્રિનોનું છે. ન્યુટ્રિનો એક એવો નાનકડો કણ છે, જેને આપણી આંખો જોઈ શકતી નથી. પણ તેનું અસ્તિત્વ બ્રહ્માંડ સબંધી અનેક મોટા સવાલોના જવાબ આપી શકે છે. દાયકાઓથી, ભૌતિકશાસ્ત્રીઓ ન્યુટ્રિનો જેવા સબએટોમિક કણોના રહસ્યોને સમજવાનો પ્રયાસ કરી રહ્યા છે. ન્યુટ્રિનો, જે ઇલેક્ટ્રિક ચાર્જ વગરના અને લગભગ સમૂહવિહીન કણો છે, તેમની વિચિત્ર વર્તણૂક અને અસ્તિત્વને લઈને વિજ્ઞાનીઓને આકર્ષિત કરે છે. હાલના અભ્યાસોમાં, ન્યુટ્રિનોના અભ્યાસમાં એક નવા પડાવથી શરૂઆત થઈ છે. જેમાં નાના અને અદ્યતન ડિટેક્ટર્સનો ઉપયોગ કરીને આ કણોને સમજવાનો પ્રયાસ થઈ રહ્યો છે. ન્યુટ્રિનો ફિઝિક્સના ક્ષેત્રમાં આ શોધ નવા દરવાજા ખોલી રહી છે. ભવિષ્યમાં ભૌતિકશાસ્ત્રની નવી સંભાવનાઓને ઉજાગર કરી રહી છે. આ કણોનો અભ્યાસ કરવો એટલે બ્રહ્માંડની ઉત્પત્તિ, તેની રચના અને ભવિષ્ય વિશેના રહસ્યોને ઉજાગર કરવાનો પ્રયાસ છે. ન્યુટ્રિનો એ બ્રહ્માંડના સૌથી રહસ્યમયી અને મહત્વના કણોમાંથી એક છે. તેમની શોધથી લઈને આજના આધુનિક પ્રયોગો સુધી, ન્યુટ્રિનોએ વિજ્ઞાનીઓને સતત આશ્ચર્યચકિત કર્યા છે. આધુનિક ભૌતિક શાસ્ત્ર માટે શા માટે ન્યુટ્રીનો નામના કણ ખૂબ જ મહત્વના બની ગયા છે ?
અદ્રશ્ય ભૂતિયા કણો
ન્યુટ્રિનોનું મહત્વ ફક્ત ભૌતિકશાસ્ત્ર પૂરતું મર્યાદિત નથી; તે ખગોળશા અને બ્રહ્માંડ વિજ્ઞાનમાં પણ મહત્વની ભૂમિકા ભજવે છે. ઉદાહરણ તરીકે, સૂર્ય અને અન્ય તારાઓમાં થતી પરમાણુ પ્રક્રિયાઓ દરમિયાન ન્યુટ્રિનો ઉત્પન્ન થાય છે. જે આપણને તેમની અંદરની ગતિવિધિઓ સમજવામાં મદદ કરે છે. આ રીતે, ન્યુટ્રિનોએ બ્રહ્માંડની કુદરતી રીતે બનતી એક રહસ્યમયી ઘટના છે. જે આપણને અદ્રશ્ય વિશ્વની ઝાંખી કરવામાં મદદરૂપ થાય છે. દર સેકન્ડે અબજો ન્યુટ્રિનો આપણા શરીરમાંથી પસાર થાય છે. પણ આપણને ખબર પણ નથી પડતી. ન્યૂટ્રીનોએ એક એવા પરમાણ્વીક (સબએટોમિક કણ) છે, જેનો કોઈ વિદ્યુત ચાર્જ નથી અને તે ખૂબ જ ઓછી સામગ્રી સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરે છે. એનું વજન લગભગ શૂન્ય સમાન છે. અને તે પ્રકાશની ઝડપ નજીકથી ગતિ કરે છે. જેના કારણે તેમને ઘોસ્ટ પાર્ટિકલ એટલે કે 'ભુતીયા કણો' પણ કહેવામાં આવે છે.
ન્યૂટ્રીનો પ્રત્યેક ક્ષણે અખિલ બ્રહ્માંડમાં મોટી સંખ્યામાં ઉત્પન્ન થાય છે. ન્યુટ્રિનોનાં ત્રણ પ્રકારમાં અસ્તિત્વ ધરાવે છે : ઇલેક્ટ્રોન ન્યુટ્રિનો, મ્યુઓન ન્યુટ્રિનો અને ટાઉ ન્યુટ્રિનો. આ ત્રણેય પ્રકારો એકબીજાથી અલગ છે કારણ કે તે અન્ય કણો - ઇલેક્ટ્રોન, મ્યુઓન અને ટાઉ -સાથે સંકળાયેલા છે. આ કણોની એક વિચિત્ર ખાસિયત એ છેકે તે પોતાનું સ્વરૂપ બદલી શકે છે. એટલે કે, એક પ્રકારનો ન્યુટ્રિનો મુસાફરી કરતી વખતે બીજા પ્રકારમાં રૂપાંતરિત થઈ શકે છે. આ ઘટનાને 'ન્યુટ્રિનો ઓસિલેશન' કહેવાય છે. ન્યુટ્રિનોની નોંધપાત્ર લાક્ષણિકતાની શોધે વિજ્ઞાનીઓને ચોંકાવી દીધા હતા, કારણ કે તે દર્શાવે છેકે 'પહેલા વિજ્ઞાનીઓ એવું માનતા હતા કે ન્યુટ્રીનો વજન વગરના વજન વિહીન પણ છે, પરંતુ તેની નવી ખાસિયત ધ્યાનમાં આવ્યા બાદ વિજ્ઞાનીઓ માનવા લાગ્યા છે કે ન્યુટ્રિનોનું થોડું વજન હોવું જોઈએ. ન્યુટ્રિનોની આ વર્તણૂક સમજવા માટે એક સરળ ઉદાહરણ આપી શકાય : ધારો કે તમે એક ફળની દુકાનેથી સફરજન લીધું, પણ ઘરે પહોંચતાં તે નારંગીમાં બદલાઈ ગયું! ન્યુટ્રિનો પણ આવી જ રીતે પોતાનું રૂપ બદલે છે, જે ન્યુટ્રીનોને વધુ રસપ્રદ અને જટિલ બનાવે છે.
રહસ્યોની ખોજ
સ્ટેરાઇલ ન્યુટ્રિનોના અસ્તિત્વની તપાસ માટે અમેરિકાના ફર્મિલેબમાં બે મોટા પ્રયોગો હાથ ધરવામાં આવ્યા: મિનીબૂન (MiniBooNE) અને માઇક્રોબૂન (MicroBooNE). આ પ્રયોગોનો હેતુ ન્યુટ્રિનો ઓસિલેશનની ચોકસાઈથી તપાસ કરવાનો અને સ્ટેરાઇલ ન્યુટ્રિનોની હાજરી શોધવાનો હતો. મિનીબૂન પ્રયોગ ૨૦૦૨માં શરૂ થયો અને ૨૦૧૯ સુધી ચાલ્યો. તેનો મુખ્ય ઉદ્દેશ ન્યુટ્રિનો ઓસિલેશનની તપાસ કરવાનો હતો, આ પ્રયોગમાં, ફર્મિલેબના બૂસ્ટર એક્સેલરેટરમાંથી મ્યુઓન ન્યુટ્રિનોનું બીમ ઉત્પન્ન કરવામાં આવ્યું. આ બીમને ૫૪૧ મીટર દૂર આવેલા ડિટેક્ટર પર મોકલવામાં આવ્યું. ડિટેક્ટરમાં ૮૦૦ ટન ખનિજ તેલ હતું, જે ન્યુટ્રિનોની ક્રિયાઓને શોધવા માટે સંવેદનશીલ હતું. મિનીબૂનના પરિણામોમાં અપેક્ષા કરતાં વધુ ઇલેક્ટ્રોન ન્યુટ્રિનો જોવા મળ્યા, જે સ્ટેરાઇલ ન્યુટ્રિનોની શક્યતા દર્શાવે છે. આ ચોથા પ્રકારને સ્ટેરાઇલ ન્યુટ્રિનો નામ આપવામાં આવ્યું, કારણ કે તે સામાન્ય ન્યુટ્રિનોની જેમ અન્ય પદાર્થો સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા નથી કરતો. ગુજરાતી ભાષામાં સ્ટેરાઇલનો અર્થ સ્ટેરાઇલ અથવા સૂક્ષ્મ જીવાણું રહિત એવો થાય. પરંતુ ભૌતિક શાસ્ત્રમાં આ શબ્દ ઉપયુક્ત બને નહીં, આ શબ્દનો અન્ય અર્થ વ્યર્થ, નિષ્ફળ, અથવા નીરસ થાય છે. આ હિસાબે તમારે જો ગુજરાતી પર્યાયની જરૂર જ હોય તો, તેને નીરસ ન્યુટ્રિનો તરીકે ઓળખી શકો. આ પરિણામોની પુષ્ટિ કરવા માટે માઇક્રોબૂન પ્રયોગ ૨૦૧૫માં શરૂ થયો. માઇક્રોબૂનમાં વધુ અદ્યતન ટેકનોલોજીનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો - લિક્વિડ આર્ગોન ટાઇમ પ્રોજેક્શન ચેમ્બર (LArTPC). આ ટેકનોલોજી ન્યુટ્રિનોની ક્રિયાઓને ખૂબ જ ઝીણવટથી રેકોર્ડ કરી શકે છે. માઇક્રોબૂનના ડિટેક્ટરમાં ૧૭૦ ટન લિક્વિડ આર્ગોન હતું. જોકે, આ પ્રયોગમાં મિનીબૂન જેવા વધારાના ઇલેક્ટ્રોન ન્યુટ્રિનો જોવા મળ્યા નહીં, જેનાથી સ્ટેરાઇલ ન્યુટ્રિનોના અસ્તિત્વની થીયરી પર સવાલ ઊભા થયા. મિનીબૂનમાં ખનિજ તેલનો ઉપયોગ થયો હતો, જેમાં કાર્બન આધારિત પદાર્થ હતો, જ્યારે માઇક્રોબૂનમાં લિક્વિડ આર્ગોનનો ઉપયોગ થયો. આ ટેકનોલોજી અને પદાર્થોના ફેરફારને કારણે પરિણામોમાં ભિન્નતા હોઈ શકે છે. આ રહસ્ય હજી ઉકેલાવાનું બાકી છે.
દેખાય નહીં, પકડાય નહીં...
ન્યુટ્રિનોની કલ્પના સૌ પ્રથમ ૧૯૩૦માં વોલ્ફગેંગ પૌલીએ કરી હતી. તે સમયે, વિજ્ઞાનીઓ બીટા ક્ષય નામની એક પરમાણુ પ્રક્રિયાને સમજવાનો પ્રયાસ કરી રહ્યા હતા. આ પ્રક્રિયામાં, એક પરમાણુનું ન્યુક્લિયસ એક ઇલેક્ટ્રોન બહાર કાઢે છે, પણ ઊર્જાનું સંતુલન વૈજ્ઞાનિક ગણતરી પ્રમાણે બંધબેસતું ન હતું. ત્યારે પૌલીએ સૂચવ્યું કે એક અદ્રશ્ય કણ હોવો જોઈએ, જે આ ખોટી ઉર્જાને લઈ જાય. આ કણને પૌલીએ 'ન્યુટ્રિનો' નામ આપ્યું હતું. આ શબ્દ ઇટાલિયન ભાષામાં 'નાનો ન્યુટ્રલ' એટલે નાનો તટસ્થ કણ એવો અર્થ ધરાવે છે. પણ ન્યુટ્રિનોનું અસ્તિત્વ સાબિત કરવું સરળ નહોતું. તેની શોધ માટે ૨૬ વર્ષ રાહ જોવી પડી. ૧૯૫૬માં ક્લાઇડ કોવાન અને ફ્રેડરિક રેઇન્સે એક પરમાણુ રિએક્ટરમાંથી નીકળતા ન્યુટ્રિનોને પકડીને તેનું અસ્તિત્વ સાબિત કર્યું. રેઇન્સને ૧૯૯૫માં નોબેલ પુરસ્કારથી સન્માનિત કરવામાં આવ્યા. આ ઘટનાએ ન્યુટ્રિનોના અભ્યાસનો પાયો નાખ્યો.
ન્યુટ્રિનોની સૌથી આશ્ચર્યજનક ખાસિયત એ છેકે તે પોતાનું સ્વરૂપ બદલી શકે છે. આ ઘટનાને 'ન્યુટ્રિનો ઓસિલેશન' કહેવાય છે. ઉદાહરણ તરીકે, સૂર્યમાંથી નીકળતા ઇલેક્ટ્રોન ન્યુટ્રિનો પૃથ્વી સુધી પહોંચે ત્યાં સુધીમાં મ્યુઓન કે ટાઉ ન્યુટ્રિનોમાં બદલાઈ શકે છે. આની શોધ ૧૯૯૮માં જાપાનના સુપર-કામિઓકાન્ડે પ્રયોગમાં થઈ. આ પ્રયોગમાં, વિજ્ઞાનીઓએ પૃથ્વીના વાતાવરણમાંથી આવતા ન્યુટ્રિનોનું નિરીક્ષણ કર્યું અને જોયું કે તેમની સંખ્યા અપેક્ષા કરતાં ઓછી હતી, જે ન્યુટ્રિનો ઓસિલેશનનું પરિણામ હતું. આ શોધ માટે ૨૦૧૫માં ટાકાકી કાજીતા અને આર્થર મેકડોનાલ્ડને નોબેલ પુરસ્કાર આપવામાં આવ્યો. ન્યુટ્રિનોના ત્રણ પ્રકારોના વજનમાં નાનો પણ નોંધપાત્ર તફાવત હોય છે. જ્યારે ન્યુટ્રિનો પ્રકાશની ઝડપે મુસાફરી કરે છે, ત્યારે આ તફાવતને કારણે તેમનું સ્વરૂપ બદલાય છે. આ ઘટના બ્રહ્માંડના મૂળભૂત નિયમોને સમજવામાં મહત્વનું પગલું સાબિત થઈ છે. પણ વાત અહીં અટકતી નથી. કેટલાક પ્રયોગોમાં વિજ્ઞાનીઓએ જોયું કે ન્યુટ્રિનોની સંખ્યા તેમની ગણતરી કરતાં વધુ હતી. આનાથી એક નવો સવાલ ઊભો થયો : શું ચોથો પ્રકારનો ન્યુટ્રિનો પણ હોઈ શકે?
બ્રહ્માંડની રહસ્યમય કિતાબ
ન્યુટ્રિનો અને એન્ટિન્યુટ્રિનો જ્યારે અણુના ન્યુક્લિયસ સાથે અથડાય છે, ત્યારે એક ખાસ પ્રકારની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા થાય છે. આ ક્રિયાને સમજવું એટલું મુશ્કેલ છે, જેટલું એક નાના બોલથી મોટા બોલને અથડાવવો અને તેની ગતિ માપવી! આ નાના ડિટેક્ટર્સ આવી ક્રિયાને શોધવામાં સફળ રહ્યા છે. મેક્સ પ્લાન્ક ઇન્સ્ટિટયૂટના ભૌતિકશાસ્ત્રી ક્રિશ્ચિયન બક કહે છે, ''આ નવી ચેનલમાં એવું કંઈક હોઈ શકે છે, જે આપણે હજી જાણતા નથી. આ ભૌતિકશાસ્ત્રનો નવો દરવાજો ખોલી શકે છે.'' આ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાનો અભ્યાસ કરવાથી વિજ્ઞાનીઓને ન્યુટ્રિનોના ગુણધર્મો વિશે વધુ સમજણ મળી શકે છે. ઉદાહરણ તરીકે, તે દર્શાવી શકે કે 'ન્યુટ્રિનો કેવી રીતે બ્રહ્માંડમાં પદાર્થ અને એન્ટિમેટર વચ્ચેનું સંતુલન બનાવે છે? - આ એક એવો સવાલ જે આધુનિક બ્રહ્માંડની ઉત્પત્તિની થિયરીને રહસ્યમય વળાંક આપી રહ્યો છે. આ ક્રિયાપ્રતિક્રિયા સમજવાથી ન્યુટ્રિનોના વજન અને તેમની ભૂમિકા વિશે નવી માહિતી મળી શકે છે. ઉદાહરણ તરીકે, જો આપણે ન્યુટ્રિનોના વજનની ચોક્કસ ક્રમબદ્ધતા (હાયરાર્કી) જાણી શકીએ, તો તે બ્રહ્માંડના પ્રારંભિક ક્ષણો વિશેની આપણને નવી માહિતી મળી શકે તેમ છે.
નાના ડિટેક્ટર્સની શોધથી લઈને SBND અને DUNE જેવા મહત્વાકાંક્ષી પ્રયોગો સુધી ન્યુટ્રિનોની યાત્રા હજી ચાલુ છે. આ પ્રયોગો દ્વારા સ્ટેરાઇલ ન્યુટ્રિનોનું અસ્તિત્વ સાબિત થાય કે ન થાય, તે ન્યુટ્રિનોના ગુણધર્મોને સમજવામાં મદદ કરશે. જો સ્ટેરાઇલ ન્યુટ્રિનો મળી આવે, તો તે ભૌતિકશાસ્ત્રના સ્ટાન્ડર્ડ મોડલને નવી દિશા આપશે. આ નાનકડા કણો આપણને બ્રહ્માંડના ઊંડા રહસ્યો સમજાવી શકે છે - જેમ કે બ્રહ્માંડ કેવી રીતે બન્યું, તેમાં પદાર્થ કેમ વધુ છે, અને તેનું ભવિષ્ય શું હશે. નાની શોધો મોટા ફેરફારો લાવે છે, અને આ નવા ડિટેક્ટર્સ તેનું જીવંત ઉદાહરણ છે. આ શોધો ભવિષ્યમાં નવી ટેકનોલોજી અને એપ્લિકેશન્સનો માર્ગ પણ મોકળો કરશે. ભવિષ્યમાં, ન્યુટ્રિનોની આ યાત્રા વિજ્ઞાનને નવી દિશા આપશે અને કદાચ બ્રહ્માંડની ઉત્પત્તિના રહસ્યો પણ ખોલશે. આ નાનકડા કણોની મોટી કહાણી લખાવાની હજી બાકી છે.
