બ્રહ્માંડના સર્જનનું રહસ્ય: કેવી રીતે એક 'ભુલાયેલા' ન્યુટ્રિનો કણે આપણને શૂન્યતામાંથી બચાવ્યા?

આપણું અસ્તિત્વ જ એક મોટું રહસ્ય છે. ભૌતિકશાસ્ત્રના મૂળભૂત સિદ્ધાંતો મુજબ, જ્યારે બ્રહ્માંડની શરૂઆત થઈ, ત્યારે પદાર્થ એટલે કે મેટર (matter) અને તેનો વિરોધી પદાર્થ એટલે કે એન્ટિમેટર (antimatter) સમાન માત્રામાં ઉત્પન્ન થવા જોઈતા હતા. સમસ્યા એ છે કે જ્યારે મેટર અને એન્ટિમેટર એકબીજાના સંપર્કમાં આવે છે, ત્યારે તેઓ એકબીજાનો નાશ કરે છે અને માત્ર શુદ્ધ ઉર્જા બાકી રહે છે. જો શરૂઆતમાં બંને સમાન હોત, તો આજે બ્રહ્માંડમાં તારા, ગ્રહો કે જીવન જેવું કંઈ જ ન હોત; માત્ર ખાલી અવકાશ અને પ્રકાશ હોત. પરંતુ આપણે અહીં છીએ, જેનો અર્થ છે કે કોઈક રીતે મેટર જીતી ગયું. તાજેતરમાં યુનિવર્સિટી ઓફ સાઉધમ્પ્ટન અને ઇન્ડિયન ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ઓફ ટેકનોલોજી (IIT) કાનપુરના સંશોધકોએ આ કોયડાનો એક આશ્ચર્યજનક ઉકેલ રજૂ કર્યો છે, જેનું કેન્દ્રબિંદુ એક 'ભુલાયેલો' ન્યુટ્રિનો કણ છે.

ન્યુટ્રિનો (neutrino) એ કુદરતના સૌથી રહસ્યમય કણોમાંના એક છે. તે એટલા હળવા છે કે લાંબા સમય સુધી વૈજ્ઞાનિકો માનતા હતા કે તેમનું કોઈ દળ (mass) જ નથી. તેઓ વીજભાર રહિત હોય છે અને સામાન્ય પદાર્થ સાથે ભાગ્યે જ પ્રતિક્રિયા આપે છે. હકીકતમાં, અત્યારે પણ તમારી આંગળીના ટેરવેથી દર સેકન્ડે અબજો ન્યુટ્રિનો પસાર થઈ રહ્યા છે, પરંતુ તમને તેનો અહેસાસ પણ થતો નથી. આ કણોને સમજવા માટે આપણે બિગ બેંગ (Big Bang) એટલે કે બ્રહ્માંડના મહાવિસ્ફોટના સમયમાં પાછા જવું પડે. બિગ બેંગ થિયરી મુજબ, આશરે ૧૩.૭૮૭ અબજ વર્ષ પહેલાં બ્રહ્માંડ અત્યંત ગરમ અને ઘટ્ટ અવસ્થામાંથી વિસ્તરવાનું શરૂ થયું હતું. આ પ્રક્રિયા દરમિયાન અનેક પ્રકારના કણો પેદા થયા, જેમાં ન્યુટ્રિનો પણ સામેલ હતા.

ન્યુટ્રિનોનો ઇતિહાસ પણ રસપ્રદ છે. ૧૯૩૦માં વોલ્ફગેંગ પાઉલીએ બીટા ડેકે (beta decay) એટલે કે પરમાણુના વિખંડન દરમિયાન ઉર્જાના સંરક્ષણને સમજાવવા માટે આ કણની કલ્પના કરી હતી. પાછળથી એનરિકો ફર્મીએ તેને 'ન્યુટ્રિનો' નામ આપ્યું, જેનો ઇટાલિયન અર્થ 'નાનો તટસ્થ કણ' થાય છે. ૧૯૫૬માં ક્લાઈડ કોવાન અને ફ્રેડરિક રેઈન્સ દ્વારા તેની પ્રથમ પ્રાયોગિક પુષ્ટિ કરવામાં આવી હતી. વૈજ્ઞાનિકો જાણે છે કે ન્યુટ્રિનો ત્રણ પ્રકારના અથવા 'ફ્લેવર' (flavor) માં આવે છે: ઇલેક્ટ્રોન ન્યુટ્રિનો, મ્યુઓન ન્યુટ્રિનો અને ટાઉ ન્યુટ્રિનો. આ કણો સતત એક ફ્લેવરમાંથી બીજી ફ્લેવરમાં બદલાતા રહે છે, જેને ન્યુટ્રિનો ઓસિલેશન (oscillation) કહેવામાં આવે છે. આ શોધ માટે ૨૦૧૫માં નોબેલ પ્રાઈઝ પણ આપવામાં આવ્યું હતું.

પરંતુ સાઉધમ્પ્ટન અને આઈઆઈટી કાનપુરના વૈજ્ઞાનિકો જે કણની વાત કરી રહ્યા છે તે આ સામાન્ય ન્યુટ્રિનો નથી. તેને 'ડિકપલ્ડ હેવી ન્યુટ્રિનો' (decoupled heavy neutrino) કહેવામાં આવે છે. આ એક કાલ્પનિક ભારે કણ છે જેને અત્યાર સુધી વૈજ્ઞાનિકોએ બિનમહત્વપૂર્ણ ગણીને અવગણ્યો હતો. સંશોધકોના જણાવ્યા મુજબ, આ કણ અન્ય કણો સાથે એટલી નબળી રીતે જોડાયેલો છે કે તેને શોધવો મુશ્કેલ છે. જોકે, તેની આ નબળી પ્રતિક્રિયા જ તેની સૌથી મોટી શક્તિ બની. તેની નબળી કનેક્ટિવિટીને કારણે તે ખૂબ લાંબુ આયુષ્ય ધરાવે છે. ફિઝિકલ રિવ્યુ લેટર્સ સામયિકમાં પ્રકાશિત થયેલા અહેવાલ મુજબ, આ કણ બિગ બેંગ પછી એટલા લાંબા સમય સુધી ટકી રહ્યો કે તેણે બ્રહ્માંડની ઉર્જા ઘનતા (energy density) પર કામચલાઉ કબજો જમાવી લીધો હતો.

ડૉ. રિષભ રોશન, જેઓ આ અભ્યાસના લેખક છે, સમજાવે છે કે જ્યારે બ્રહ્માંડ ઠંડું પડી રહ્યું હતું, ત્યારે આ ભારે ન્યુટ્રિનોએ એક એવો સમયગાળો બનાવ્યો જ્યાં પદાર્થનું વર્ચસ્વ હતું. આ પ્રક્રિયાએ બ્રહ્માંડના તાપમાનમાં ફેરફાર કર્યો. આ તાપમાનનો ફેરફાર એક સ્વીચ જેવું કામ કરે છે, જે નક્કી કરે છે કે ઇલેક્ટ્રોન અને અન્ય લેપ્ટોન (lepton) કણો તેમના વિરોધી કણો સાથે કેવી રીતે પ્રતિક્રિયા આપશે. આ પ્રક્રિયામાં હિગ્સ બોસોન (Higgs boson) નામના કણની પણ મહત્વની ભૂમિકા છે. હિગ્સ બોસોન એ કણ છે જે અન્ય મૂળભૂત કણોને દળ આપે છે. ભારે ન્યુટ્રિનોએ હિગ્સ બોસોન સાથેની પ્રતિક્રિયાઓના સમયમાં ફેરફાર કરીને મેટર અને એન્ટિમેટર વચ્ચે અસંતુલન પેદા કરવામાં મદદ કરી.

આ અસંતુલનને વૈજ્ઞાનિક ભાષામાં બેરિયોન અસymmetry (baryon asymmetry) કહેવામાં આવે છે. બિગ બેંગના થોડા સમય પછી, અજ્ઞાત પ્રતિક્રિયાઓને કારણે દર ૩૦ મિલિયન કણોમાં પદાર્થનો એક વધારાનો કણ બચ્યો હતો. જ્યારે બાકીના મેટર અને એન્ટિમેટર એકબીજાનો નાશ કરી રહ્યા હતા, ત્યારે આ નાનકડો વધારાનો ભાગ બચી ગયો, જેમાંથી આખું દ્રશ્યમાન બ્રહ્માંડ બન્યું છે. આઈઆઈટી કાનપુરના સહ-લેખક ડૉ. સુદીપ્ત શોના જણાવ્યા મુજબ, આ 'ભુલાયેલા' કણે બ્રહ્માંડના વિસ્તરણના ઇતિહાસને નાટકીય રીતે બદલી નાખ્યો હતો.

આ સિદ્ધાંત માત્ર કાગળ પર જ નથી, પરંતુ તેને સાબિત કરવાની એક રીત પણ છે. વૈજ્ઞાનિકો માને છે કે આ ભારે ન્યુટ્રિનોના વર્ચસ્વને કારણે બ્રહ્માંડના પ્રારંભિક તબક્કામાં ગુરુત્વાકર્ષણ તરંગો (gravitational waves) પેદા થયા હશે. ગુરુત્વાકર્ષણ તરંગો એ અવકાશ અને સમયના કાપડમાં આવતા તરંગો છે. જો આપણે આ પ્રાચીન તરંગોને શોધી શકીએ, તો તેમાં આ ન્યુટ્રિનોની હાજરીના પુરાવા મળી શકે છે. આ તરંગો બ્રહ્માંડના એવા સમયની માહિતી આપે છે જ્યારે પ્રકાશ પણ મુક્તપણે ફરી શકતો ન હતો.

વર્તમાન બ્રહ્માંડમાં પદાર્થનું વિતરણ જોતા, સામાન્ય મેટર માત્ર ૫% જેટલું જ છે. બાકીનું ૨૭% ડાર્ક મેટર (dark matter) અને ૬૮% ડાર્ક એનર્જી (dark energy) છે. ન્યુટ્રિનો આ ડાર્ક મેટરના રહસ્યને ઉકેલવામાં પણ મદદ કરી શકે છે. સૂર્યના કેન્દ્રમાં થતી પરમાણુ સંલયન (nuclear fusion) પ્રક્રિયામાંથી પણ અસંખ્ય ન્યુટ્રિનો પૃથ્વી પર આવે છે. પૃથ્વીની સપાટી પર દર સેકન્ડે દર ચોરસ સેન્ટીમીટરે આશરે ૬૫ અબજ સૌર ન્યુટ્રિનો પસાર થાય છે. આ કણો એટલા સૂક્ષ્મ છે કે તેઓ આખી પૃથ્વીને કોઈ પણ અવરોધ વિના આરપાર વીંધી શકે છે.

આ સંશોધન ભારત માટે પણ ગૌરવની વાત છે કારણ કે આઈઆઈટી કાનપુરના વૈજ્ઞાનિકોએ આ વૈશ્વિક રહસ્યને ઉકેલવામાં મહત્વનું યોગદાન આપ્યું છે. જો આ સિદ્ધાંત સાચો સાબિત થાય, તો તે ભૌતિકશાસ્ત્રના સ્ટાન્ડર્ડ મોડલ (Standard Model) માં એક નવો અધ્યાય ઉમેરશે. સ્ટાન્ડર્ડ મોડલ એ બ્રહ્માંડના તમામ જાણીતા કણો અને દળોને સમજાવતું માળખું છે, પરંતુ તે હજુ સુધી એ સમજાવી શક્યું નથી કે મેટર એન્ટિમેટર કરતા કેમ વધી ગયું. આ ભારે ન્યુટ્રિનો કદાચ એ ખૂટતી કડી છે જે આપણને શૂન્યતામાંથી અસ્તિત્વમાં લાવવા માટે જવાબદાર છે.