બ્રહ્માંડના 'ભૂતિયા કણો'ની શોધ: જાપાનના પહાડો નીચે ધબકતું સુપર-કેમિયોકાન્ડેનું વિજ્ઞાન

બ્રહ્માંડમાં એવા અસંખ્ય કણો છે જે આપણી આસપાસથી અને આપણા શરીરમાંથી દર સેકન્ડે પસાર થાય છે, છતાં આપણને તેનો અહેસાસ પણ થતો નથી. આ રહસ્યમય કણોને ન્યુટ્રિનો (neutrino) કહેવામાં આવે છે, જેનો કોઈ વીજભાર નથી અને દળ પણ નહિવત છે. આ 'ભૂતિયા કણો'ને પકડવા માટે જાપાનના ગીફુ પ્રીફેક્ચરના હિડા શહેર પાસે માઉન્ટ ઈકેનોની નીચે ૧,૦૦૦ મીટર (૩,૩૦૦ ફૂટ) ઊંડે એક અદભૂત પ્રયોગશાળા બનાવવામાં આવી છે, જેને સુપર-કેમિયોકાન્ડે (Super-Kamiokande) અથવા ટૂંકમાં 'સુપર-કે' (Super-K) તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. યુનિવર્સિટી ઓફ ટોક્યોની ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ફોર કોસ્મિક રે રિસર્ચ દ્વારા સંચાલિત આ વેધશાળા વિજ્ઞાન જગતની સૌથી મહત્વપૂર્ણ કડીઓમાંની એક છે.

સુપર-કેમિયોકાન્ડે એ માત્ર એક પ્રયોગશાળા નથી, પરંતુ એન્જિનિયરિંગ અને ભૌતિક વિજ્ઞાનનો એક અજોડ નમૂનો છે. તે જમીનની અંદર મોઝુમી ખાણમાં આવેલી છે, જેથી પૃથ્વીની સપાટી પર આવતા અન્ય કોસ્મિક કિરણોના વિક્ષેપથી બચી શકાય. આ વેધશાળાનો મુખ્ય ઉદ્દેશ્ય ઉચ્ચ-ઊર્જા ધરાવતા ન્યુટ્રિનોની શોધ કરવી, પ્રોટોન ક્ષય (proton decay) વિશે તપાસ કરવી અને સૂર્ય તેમજ વાતાવરણમાંથી આવતા ન્યુટ્રિનોનો અભ્યાસ કરવાનો છે. આ ઉપરાંત, તે આપણી આકાશગંગા એટલે કે મિલ્કી વેમાં થતા સુપરનોવા (supernova) એટલે કે તારાઓના વિસ્ફોટ પર પણ નજર રાખે છે.

આ ડિટેક્ટરની રચના એક વિશાળ નળાકાર સ્ટેનલેસ સ્ટીલની ટાંકી જેવી છે. આ ટાંકીની ઊંચાઈ ૪૧.૪ મીટર (૧૩૬ ફૂટ) અને વ્યાસ ૩૯.૩ મીટર (૧૨૯ ફૂટ) છે. આ વિશાળ પાત્રમાં ૫૦,૨૨૦ ટન અલ્ટ્રાપ્યોર વોટર (ultrapure water) એટલે કે અત્યંત શુદ્ધ પાણી ભરેલું હોય છે. ટાંકીની અંદરની રચનાને સ્ટેનલેસ સ્ટીલના માળખા દ્વારા બે ભાગમાં વહેંચવામાં આવી છે: ઇનર ડિટેક્ટર (inner detector - ID) અને આઉટર ડિટેક્ટર (outer detector - OD). ઇનર ડિટેક્ટરની ઊંચાઈ ૩૬.૨ મીટર અને વ્યાસ ૩૩.૮ મીટર છે, જે મુખ્યત્વે ન્યુટ્રિનોની પ્રક્રિયાઓને નોંધવાનું કામ કરે છે.

ન્યુટ્રિનોને પકડવા માટે આ ટાંકીની અંદર હજારોની સંખ્યામાં ફોટોમલ્ટીપ્લાયર ટ્યુબ (photomultiplier tube - PMT) લગાવવામાં આવી છે. આ ટ્યુબ્સ હકીકતમાં અત્યંત સંવેદનશીલ પ્રકાશ સેન્સર છે. ઇનર ડિટેક્ટરમાં ૫૦ સેમી (૨૦ ઇંચ) વ્યાસ ધરાવતી ૧૧,૧૪૬ PMTs લગાવેલી છે, જે અંદરની તરફ મોઢું રાખીને ગોઠવાયેલી છે. બીજી તરફ, આઉટર ડિટેક્ટરમાં ૨૦ સેમી (૮ ઇંચ) વ્યાસ ધરાવતી ૧,૮૮૫ PMTs છે. આ બંને ભાગોને ઓપ્ટિકલી અલગ રાખવા માટે ટાયવેક (Tyvek) અને બ્લેકશીટનો અવરોધ બનાવવામાં આવ્યો છે, જેથી એક ભાગનો પ્રકાશ બીજામાં ન જાય.

જ્યારે કોઈ ન્યુટ્રિનો પાણીના અણુમાં રહેલા ઇલેક્ટ્રોન અથવા ન્યુક્લિયસ સાથે અથડાય છે, ત્યારે તે એક વીજભારિત કણ પેદા કરે છે. આ કણ પાણીમાં પ્રકાશની ગતિ કરતા પણ વધુ ઝડપે ગતિ કરે છે. નોંધનીય છે કે શૂન્યાવકાશમાં પ્રકાશની ગતિ સૌથી વધુ હોય છે, પરંતુ પાણી જેવા માધ્યમમાં તે ધીમી પડે છે. જ્યારે કોઈ કણ માધ્યમમાં પ્રકાશની ગતિને વટાવી જાય, ત્યારે તે 'ચેરેન્કોવ રેડિયેશન' (Cherenkov radiation) નામનો વાદળી પ્રકાશનો શંકુ (cone) પેદા કરે છે. આ ઘટના વિમાન દ્વારા પેદા થતા 'સોનિક બૂમ' જેવી જ છે, પણ અહીં અવાજને બદલે પ્રકાશ હોય છે.

આ ચેરેન્કોવ પ્રકાશ ડિટેક્ટરની દિવાલો પર એક રીંગ અથવા વર્તુળ તરીકે દેખાય છે, જેને ત્યાં લાગેલી PMTs દ્વારા રેકોર્ડ કરવામાં આવે છે. દરેક PMT દ્વારા નોંધાયેલા સમય અને વીજભારની માહિતીનો ઉપયોગ કરીને વૈજ્ઞાનિકો ન્યુટ્રિનો ક્યાંથી આવ્યો, તેની દિશા કઈ હતી અને તેનો પ્રકાર (flavor) કયો છે તે નક્કી કરે છે. જો પ્રકાશની રીંગની કિનારીઓ અસ્પષ્ટ હોય, તો તે ઇલેક્ટ્રોન હોઈ શકે છે, કારણ કે ઇલેક્ટ્રોન વધુ વિખરાય છે. જો કિનારીઓ એકદમ તીક્ષ્ણ (sharp) હોય, તો તે મ્યુઓન (muon) હોવાની શક્યતા વધુ હોય છે.

સુપર-કેમિયોકાન્ડેનો ઇતિહાસ પણ ઘણો રસપ્રદ છે. તેના પુરોગામી ડિટેક્ટર 'કેમિયોકાન્ડે' (KamiokaNDE) નું નિર્માણ ૧૯૮૨માં શરૂ થયું હતું. તેનો મુખ્ય હેતુ પ્રોટોન ક્ષય શોધવાનો હતો, જે ભૌતિક વિજ્ઞાનનો એક પાયાનો પ્રશ્ન છે. જોકે, કેમિયોકાન્ડેને પ્રોટોન ક્ષય તો ન મળ્યો, પરંતુ ૧૯૮૭માં તેણે એક સુપરનોવા (SN 1987A) માંથી આવતા ૧૦ ન્યુટ્રિનો શોધી કાઢ્યા. આ એક મોટી સિદ્ધિ હતી કારણ કે તેનાથી સાબિત થયું કે સૂર્ય ન્યુટ્રિનોનો સ્ત્રોત છે. આ સફળતા બાદ, વધુ સંવેદનશીલ ડિટેક્ટરની જરૂરિયાત ઊભી થઈ, જેણે સુપર-કેમિયોકાન્ડેના નિર્માણનો માર્ગ મોકળો કર્યો.

સુપર-કેમિયોકાન્ડે પ્રોજેક્ટને ૧૯૯૧માં જાપાન સરકાર દ્વારા મંજૂરી મળી હતી, જેમાં અંદાજે $૧૦૦ મિલિયનનું ભંડોળ ફાળવવામાં આવ્યું હતું. અમેરિકાએ પણ આ પ્રોજેક્ટમાં $૩ મિલિયનનું યોગદાન આપ્યું હતું. ૧૯૯૬માં તેનું સંચાલન શરૂ થયું અને માત્ર બે જ વર્ષમાં, ૧૯૯૮માં, તેણે ન્યુટ્રિનો ઓસિલેશન (neutrino oscillation) ના પુરાવા રજૂ કર્યા. આ શોધે સાબિત કર્યું કે ન્યુટ્રિનો પાસે શૂન્ય સિવાયનું દળ (mass) છે. આ ક્રાંતિકારી શોધ માટે સુપર-કેમિયોકાન્ડેના સંશોધક તાકાકી કાજીતા (Takaaki Kajita) ને ૨૦૧૫માં ભૌતિક વિજ્ઞાનનું નોબેલ પ્રાઈઝ આપવામાં આવ્યું હતું.

ડિટેક્ટરના ઇતિહાસમાં એક દુર્ઘટના પણ નોંધાયેલી છે. ૧૨ નવેમ્બર ૨૦૦૧ના રોજ, મેન્ટેનન્સ દરમિયાન અચાનક એક PMT ફૂટી અને તેના આંચકાથી આસપાસની લગભગ ૬,૬૦૦ ટ્યુબ્સ સાંકળ પ્રતિક્રિયા (chain reaction) માં નાશ પામી. આ નુકસાન બાદ ડિટેક્ટરને ફરીથી બેઠું કરવામાં આવ્યું. ભવિષ્યમાં આવી ઘટના ન બને તે માટે દરેક PMT પર એક્રેલિક અને ફાઈબર-રીઇનફોર્સ્ડ પ્લાસ્ટિકનું કવચ ચડાવવામાં આવ્યું છે. આ સુધારાઓ સાથે ડિટેક્ટરના વિવિધ તબક્કાઓ (SK-I થી SK-VII) કાર્યરત રહ્યા છે.

ટેકનોલોજીની દ્રષ્ટિએ ૨૦૦૮માં કરવામાં આવેલો SK-IV અપગ્રેડ ઘણો મહત્વનો હતો. જૂની એનાલોગ સિસ્ટમને બદલે નવી QBEE (QTC-based electronics with Ethernet) સિસ્ટમ દાખલ કરવામાં આવી. આ સિસ્ટમમાં કસ્ટમ બનાવેલી ASIC ચિપ્સ અને FPGA નો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે, જે ડેટા પ્રોસેસિંગની ઝડપ અને ચોકસાઈ વધારે છે. આ નવી ઇલેક્ટ્રોનિક્સ સિસ્ટમ ૦.૨ થી ૨૫૦૦ પિકોકુલંબ (pC) સુધીના વીજભારને માપી શકે છે, જે જૂની સિસ્ટમ કરતા પાંચ ગણી વધુ ક્ષમતા ધરાવે છે.

૨૦૨૦માં આ પ્રયોગમાં એક નવો વળાંક આવ્યો, જેને 'સુપર-કેજીડી' (SuperKGd) પ્રોજેક્ટ કહેવામાં આવે છે. વૈજ્ઞાનિકોએ ટાંકીના અલ્ટ્રાપ્યોર પાણીમાં ગેડોલિનિયમ (gadolinium) નામનું મીઠું ઉમેર્યું. ગેડોલિનિયમમાં ન્યુટ્રોનને પકડવાની અદભૂત ક્ષમતા હોય છે. જ્યારે એન્ટી-ન્યુટ્રિનો પાણીના પ્રોટોન સાથે અથડાય છે, ત્યારે તે ન્યુટ્રોન અને પોઝિટ્રોન પેદા કરે છે. ગેડોલિનિયમ આ ન્યુટ્રોનને શોષી લે છે અને ગામા કિરણોનો ઝબકારો પેદા કરે છે. આનાથી વૈજ્ઞાનિકો ન્યુટ્રિનો અને એન્ટી-ન્યુટ્રિનો વચ્ચેનો તફાવત સ્પષ્ટપણે સમજી શકે છે.

પાણીની શુદ્ધતા જાળવી રાખવી એ આ પ્રયોગનું સૌથી મોટું પડકારજનક કામ છે. જો પાણીમાં અશુદ્ધિઓ હોય, તો તે ચેરેન્કોવ પ્રકાશને શોષી લે છે અથવા વિખેરી નાખે છે, જેનાથી PMTs સુધી સંકેતો પહોંચતા નથી. સુપર-કેમિયોકાન્ડેમાં એક અત્યંત જટિલ વોટર પ્યુરિફિકેશન સિસ્ટમ છે જે સતત પાણીને સાફ કરે છે. ગેડોલિનિયમ ઉમેર્યા પછી પડકાર એ હતો કે પાણીમાંથી અશુદ્ધિઓ દૂર થાય પણ ગેડોલિનિયમ સચવાઈ રહે. આ માટે વૈજ્ઞાનિકોએ ખાસ પ્રકારની ફિલ્ટરેશન સિસ્ટમ વિકસાવી છે.

સુપર-કેમિયોકાન્ડે માત્ર જાપાન માટે જ નહીં, પણ સમગ્ર વિશ્વ માટે મહત્વનું છે. તે સુપરનોવા વિસ્ફોટ થયાની એક સેકન્ડની અંદર વિશ્વભરના ખગોળશાસ્ત્રીઓને એલર્ટ મોકલી શકે છે. આ ડિટેક્ટર દ્વારા મળતી માહિતી આપણને સૂર્યના કેન્દ્રમાં થતી પ્રક્રિયાઓ અને બ્રહ્માંડના શરૂઆતના સમયમાં દ્રવ્ય (matter) અને પ્રતિ-દ્રવ્ય (anti-matter) વચ્ચેના અસંતુલનને સમજવામાં મદદ કરે છે. ભલે તે જમીનની નીચે છુપાયેલું હોય, પણ તેની નજર બ્રહ્માંડના સૌથી ઊંડા રહસ્યો પર છે.