બ્રહ્માંડના ઉદભવની શોધ: લાર્જ હેડ્રોન કોલાઇડરના સુપરકન્ડક્ટિંગ મેગ્નેટ કેવી રીતે કામ કરે છે?

યુરોપિયન ઓર્ગેનાઈઝેશન ફોર ન્યુક્લિયર રિસર્ચ (CERN) દ્વારા નિર્મિત લાર્જ હેડ્રોન કોલાઇડર (Large Hadron Collider - LHC) એ માનવ ઇતિહાસનું સૌથી મોટું અને સૌથી જટિલ વૈજ્ઞાનિક સાધન છે. ફ્રાન્સ અને સ્વિટ્ઝર્લેન્ડની સરહદ પર જિનીવા પાસે જમીનથી ૧૭૫ મીટર નીચે આવેલી ૨૭ કિલોમીટર લાંબી ગોળાકાર સુરંગમાં આ મશીન ધબકે છે. આ વિશાળ યંત્રનો મુખ્ય ઉદ્દેશ્ય પ્રોટોન જેવા હેડ્રોન (hadron): ક્વાર્ક નામના કણોથી બનેલા પેટા-પરમાણુ કણોને એકબીજા સાથે અતિશય ઊંચી ઉર્જા પર અથડાવવાનો છે. આ અથડામણ દ્વારા વિજ્ઞાનીઓ બ્રહ્માંડના પાયાના નિયમો અને દ્રવ્યના બંધારણને સમજવાનો પ્રયાસ કરે છે. આ સમગ્ર પ્રક્રિયામાં સૌથી મહત્વની ભૂમિકા ભજવે છે તેના હજારો સુપરકન્ડક્ટિંગ મેગ્નેટ (superconducting magnets).

સુપરકન્ડક્ટિંગ મેગ્નેટ એ એવા ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટ છે જે સુપરકન્ડક્ટિંગ વાયરના ગૂંચળામાંથી બનેલા હોય છે. સુપરકન્ડક્ટિવિટી (superconductivity) એ પદાર્થની એવી અવસ્થા છે જેમાં તે વીજળીના પ્રવાહ સામે શૂન્ય અવરોધ દર્શાવે છે. જ્યારે કોઈ ધાતુને અતિશય નીચા તાપમાને ઠંડી કરવામાં આવે છે, ત્યારે તે આ ગુણધર્મ પ્રાપ્ત કરે છે. LHC માં વપરાતા મેગ્નેટને ૧.૯ કેલ્વિન (-૨૭૧.૨૫ ડિગ્રી સેલ્સિયસ) તાપમાને રાખવામાં આવે છે, જે અવકાશના શૂન્યાવકાશ કરતા પણ વધુ ઠંડું છે. આટલા નીચા તાપમાને વાયરમાં કોઈ અવરોધ ન હોવાથી, તેમાંથી ખૂબ જ મોટો વીજ પ્રવાહ પસાર કરી શકાય છે, જેના પરિણામે અત્યંત શક્તિશાળી ચુંબકીય ક્ષેત્ર ઉત્પન્ન થાય છે. આ ચુંબકીય ક્ષેત્ર જ પ્રોટોનના કિરણોને ૨૭ કિલોમીટર લાંબા વર્તુળાકાર માર્ગ પર જાળવી રાખવા માટે જવાબદાર છે.

LHC ની ડિઝાઇનમાં મુખ્યત્વે બે પ્રકારના ચુંબકોનો ઉપયોગ થાય છે: ડાયપોલ (dipole) અને ક્વાડ્રુપોલ (quadrupole). સમગ્ર રિંગમાં કુલ ૧,૨૩૨ ડાયપોલ મેગ્નેટ ગોઠવવામાં આવ્યા છે, જેમાંથી દરેકનું વજન ૩૫ ટન છે. આ ડાયપોલ મેગ્નેટનું મુખ્ય કામ પ્રોટોનના બીમને વર્તુળાકાર માર્ગમાં વાળવાનું છે. જો આ ચુંબકો ન હોય, તો પ્રોટોન સીધી રેખામાં ગતિ કરીને સુરંગની દીવાલ સાથે અથડાઈ જાય. આ ઉપરાંત, ૩૯૨ ક્વાડ્રુપોલ મેગ્નેટનો ઉપયોગ પ્રોટોનના બીમને ફોકસ (focus) કરવા માટે થાય છે. પ્રોટોન જ્યારે ગતિ કરતા હોય ત્યારે તે વિખેરાઈ ન જાય અને એક સાંકડી નળીમાં કેન્દ્રિત રહે તે જોવાનું કામ આ ચુંબકો કરે છે. આ બંને પ્રકારના ચુંબકોના સચોટ સંકલનથી જ પ્રોટોન પ્રકાશની ગતિના ૦.૯૯૯૯૯૯૯૯૦ ગણી ઝડપે સુરંગમાં ફરી શકે છે.

આ ચુંબકોને સુપરકન્ડક્ટિંગ અવસ્થામાં રાખવા માટે લિક્વિડ હિલિયમ (liquid helium) નો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. LHC માં લગભગ ૯૬ ટન સુપરફ્લુઇડ હિલિયમ-૪ નો ઉપયોગ થાય છે, જે તેને વિશ્વની સૌથી મોટી ક્રાયોજેનિક સુવિધા બનાવે છે. ક્રાયોજેનિક્સ (cryogenics) એટલે અતિશય નીચા તાપમાને પદાર્થોના વર્તનનો અભ્યાસ અને તેનું ઉત્પાદન. આ હિલિયમ મેગ્નેટના ગૂંચળાને ઠંડુ રાખે છે જેથી તે સુપરકન્ડક્ટિવિટી જાળવી શકે. મેગ્નેટના ગૂંચળા બનાવવા માટે નિયોબિયમ-ટાઇટેનિયમ (Nb-Ti) નામના મિશ્ર ધાતુનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. આ વાયરની અંદર તાંબાનું મેટ્રિક્સ (matrix) હોય છે જે યાંત્રિક મજબૂતી આપે છે અને જો ક્યારેક સુપરકન્ડક્ટિવિટી ખોરવાય તો વીજ પ્રવાહને વૈકલ્પિક માર્ગ પૂરો પાડે છે.

પ્રોટોનને LHC ની મુખ્ય રિંગમાં મોકલતા પહેલા તેને શ્રેણીબદ્ધ નાના પ્રવેગકોમાંથી પસાર કરવામાં આવે છે. આ પ્રક્રિયા હાઇડ્રોજન ગેસના સિલિન્ડરથી શરૂ થાય છે, જ્યાંથી હાઇડ્રોજન અણુઓ મેળવવામાં આવે છે. સૌ પ્રથમ Linac4 નામનો લીનિયર એક્સિલરેટર (linear accelerator) હાઇડ્રોજન આયનોને ૧૬૦ MeV (મેગા ઇલેક્ટ્રોન વોલ્ટ) ની ઉર્જા આપે છે. ત્યારબાદ તેને પ્રોટોન સિંક્રોટ્રોન બૂસ્ટર (PSB) માં મોકલવામાં આવે છે, જ્યાં ઇલેક્ટ્રોનને દૂર કરીને માત્ર પ્રોટોન રાખવામાં આવે છે. અહીંથી પ્રોટોન ૨ GeV (ગીગા ઇલેક્ટ્રોન વોલ્ટ) ની ઉર્જા મેળવે છે અને પ્રોટોન સિંક્રોટ્રોન (PS) માં જાય છે. છેલ્લે સુપર પ્રોટોન સિંક્રોટ્રોન (SPS) દ્વારા તેને ૪૫૦ GeV સુધી પહોંચાડવામાં આવે છે અને પછી મુખ્ય LHC રિંગમાં ઇન્જેક્ટ (inject) કરવામાં આવે છે.

જ્યારે પ્રોટોન મુખ્ય રિંગમાં હોય છે, ત્યારે તેને ૪૫૦ GeV થી ૬.૫ TeV (ટેરા ઇલેક્ટ્રોન વોલ્ટ) સુધી પ્રવેગિત કરવામાં ૨૦ મિનિટ જેટલો સમય લાગે છે. આ સમય દરમિયાન સુપરકન્ડક્ટિંગ ડાયપોલ મેગ્નેટનું ચુંબકીય ક્ષેત્ર ૦.૫૪ ટેસ્લા (tesla) થી વધારીને ૭.૭ ટેસ્લા કરવામાં આવે છે. ટેસ્લા એ ચુંબકીય ક્ષેત્રની તીવ્રતા માપવાનો એકમ છે. જેમ જેમ પ્રોટોનની ઉર્જા વધે છે, તેમ તેમ તેને વર્તુળાકાર માર્ગમાં જાળવી રાખવા માટે વધુ શક્તિશાળી ચુંબકીય બળની જરૂર પડે છે. આ જ કારણ છે કે મેગ્નેટમાં વહેતો વીજ પ્રવાહ ધીમે ધીમે વધારવામાં આવે છે. એકવાર પ્રોટોન તેની મહત્તમ ઉર્જા પર પહોંચી જાય, પછી તેને કલાકો સુધી રિંગમાં ફેરવવામાં આવે છે અને ચાર મુખ્ય પોઈન્ટ્સ પર અથડાવવામાં આવે છે.

સુપરકન્ડક્ટિંગ મેગ્નેટના સંચાલનમાં સૌથી મોટો ભય ક્વેન્ચ (quench) નો હોય છે. ક્વેન્ચ એટલે એવી અસાધારણ સ્થિતિ જેમાં સુપરકન્ડક્ટિંગ કોઇલનો કોઈ ભાગ અચાનક સામાન્ય અવસ્થામાં આવી જાય અને વીજ અવરોધ દર્શાવવા લાગે. આવું ત્યારે થઈ શકે જ્યારે ચુંબકીય ક્ષેત્ર ખૂબ વધી જાય અથવા તાપમાનમાં સહેજ વધારો થાય. જ્યારે ક્વેન્ચ થાય છે, ત્યારે તે ભાગમાં અચાનક ગરમી ઉત્પન્ન થાય છે (Joule heating), જે આસપાસના ભાગોને પણ સામાન્ય અવસ્થામાં ધકેલે છે. આ એક ચેઇન રિએક્શન જેવું છે જે સેકન્ડોમાં આખા મેગ્નેટને ગરમ કરી શકે છે. ૨૦૦૮ માં LHC ના પ્રારંભિક તબક્કે આવો જ એક મોટો ક્વેન્ચ થયો હતો, જેના કારણે ઘણા મેગ્નેટને નુકસાન થયું હતું અને તેને બદલવા પડ્યા હતા.

આવા જોખમોને ટાળવા માટે LHC માં ક્વેન્ચ ડિટેક્શન સિસ્ટમ (QDS) અને રક્ષણાત્મક હીટર્સ લગાવવામાં આવ્યા છે. જો સિસ્ટમ જરા પણ વોલ્ટેજમાં અસંતુલન પારખે, તો તે તરત જ સુરક્ષા સાધનોને સક્રિય કરે છે. આ સાધનો ચુંબકમાં સંગ્રહિત પ્રચંડ ઉર્જાને સુરક્ષિત રીતે બહાર કાઢે છે અને તેને ધાતુના મોટા બ્લોક્સમાં સ્થાનાંતરિત કરે છે જે ગરમ થઈને ઉર્જાનો નિકાલ કરે છે. આ પ્રક્રિયા મેગ્નેટને કાયમી નુકસાનથી બચાવે છે. વિજ્ઞાનીઓ માટે ક્વેન્ચ એ એક સામાન્ય ઘટના છે, પરંતુ તેને નિયંત્રિત કરવી અત્યંત જરૂરી છે કારણ કે એક ડાયપોલ મેગ્નેટની કિંમત લાખો ડોલરમાં હોય છે.

LHC માત્ર પ્રોટોન જ નહીં, પણ સીસા (lead) જેવા ભારે આયનોને પણ અથડાવે છે. આ પ્રક્રિયા દ્વારા ક્વાર્ક-ગ્લુઓન પ્લાઝ્મા (quark–gluon plasma) ની સ્થિતિ ઉત્પન્ન કરવામાં આવે છે, જે બ્રહ્માંડના નિર્માણની પ્રથમ ક્ષણોમાં અસ્તિત્વમાં હતી તેવું માનવામાં આવે છે. આ પ્રયોગો માટે ALICE, ATLAS, CMS અને LHCb જેવા વિશાળ ડિટેક્ટર્સનો ઉપયોગ થાય છે. આ ડિટેક્ટર્સ હકીકતમાં વિશાળ કેમેરા જેવા છે જે સેકન્ડમાં લાખો અથડામણોની તસવીરો લે છે. ૨૦૧૨ માં હિગ્સ બોસોન (Higgs boson) કણની શોધ આ જ ડિટેક્ટર્સ અને મેગ્નેટની ચોકસાઈને કારણે શક્ય બની હતી. હિગ્સ બોસોન એ કણ છે જે અન્ય તમામ કણોને દ્રવ્યમાન (mass) આપે છે.

ભારત માટે પણ LHC નું મહત્વ ઘણું છે. ભારતીય વિજ્ઞાનીઓ અને એન્જિનિયરોએ LHC ના નિર્માણમાં મહત્વનું યોગદાન આપ્યું છે. ખાસ કરીને સુપરકન્ડક્ટિંગ મેગ્નેટના સપોર્ટ સિસ્ટમ અને વેક્યુમ ટેકનોલોજીમાં ભારતની ભૂમિકા નોંધપાત્ર રહી છે. CERN સાથેના સહયોગથી ભારતીય સંશોધકોને અદ્યતન ટેકનોલોજી અને ડેટા એનાલિસિસનો અનુભવ મળે છે, જેનો ઉપયોગ ભવિષ્યમાં ભારતના પોતાના એક્સિલરેટર પ્રોગ્રામ્સમાં થઈ શકે છે. આ ઉપરાંત, LHC માં વપરાતી ટેકનોલોજી જેમ કે સુપરકન્ડક્ટિંગ મેગ્નેટ, હવે મેડિકલ ક્ષેત્રે MRI મશીનોમાં અને જાપાનમાં બની રહેલી મેગ્લેવ (maglev) ટ્રેનોમાં પણ વપરાઈ રહી છે.

ભવિષ્યમાં LHC ને વધુ શક્તિશાળી બનાવવા માટે 'હાઈ-લ્યુમિનોસિટી LHC' (High-Luminosity LHC) પ્રોજેક્ટ પર કામ ચાલી રહ્યું છે. આ માટે નિયોબિયમ-ટીન (Nb3Sn) નામના નવા પ્રકારના સુપરકન્ડક્ટિંગ મટીરિયલનો ઉપયોગ કરવામાં આવશે, જે ૧૨ થી ૧૫ ટેસ્લા સુધીનું ચુંબકીય ક્ષેત્ર ઉત્પન્ન કરી શકશે. આનાથી અથડામણોની સંખ્યામાં દસ ગણો વધારો થશે, જેનાથી વિજ્ઞાનીઓને ડાર્ક મેટર (dark matter) અને વધારાના પરિમાણો (extra dimensions) જેવા રહસ્યો ઉકેલવામાં મદદ મળશે. લાર્જ હેડ્રોન કોલાઇડર એ માત્ર એક મશીન નથી, પરંતુ માનવ જિજ્ઞાસા અને એન્જિનિયરિંગ કૌશલ્યનું એક અદભૂત ઉદાહરણ છે જે આપણને બ્રહ્માંડના ગૂઢ સત્યો તરફ દોરી જાય છે.