ब्रह्मांड की उत्पत्ति की खोज: लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर के सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट कैसे काम करते हैं?

यूरोपियन ऑर्गनाइजेशन फॉर न्यूक्लियर रिसर्च (CERN) द्वारा निर्मित लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (Large Hadron Collider - LHC) मानव इतिहास का सबसे बड़ा और सबसे जटिल वैज्ञानिक उपकरण है। फ्रांस और स्विट्जरलैंड की सीमा पर जिनेवा के पास जमीन से 175 मीटर नीचे स्थित 27 किलोमीटर लंबी गोलाकार सुरंग में यह मशीन धड़कती है। इस विशाल यंत्र का मुख्य उद्देश्य प्रोटॉन जैसे हैड्रॉन (hadron): क्वार्क नामक कणों से बने उप-परमाणु कणों को एक-दूसरे के साथ अत्यधिक उच्च ऊर्जा पर टकराना है। इस टक्कर के माध्यम से वैज्ञानिक ब्रह्मांड के बुनियादी नियमों और द्रव्य की संरचना को समझने का प्रयास करते हैं। इस पूरी प्रक्रिया में सबसे महत्वपूर्ण भूमिका इसके हजारों सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट (superconducting magnets) निभाते हैं।

सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट ऐसे इलेक्ट्रोमैग्नेट हैं जो सुपरकंडक्टिंग तार के कुंडल से बने होते हैं। सुपरकंडक्टिविटी (superconductivity) पदार्थ की वह अवस्था है जिसमें वह विद्युत प्रवाह के प्रति शून्य प्रतिरोध प्रदर्शित करता है। जब किसी धातु को अत्यधिक कम तापमान पर ठंडा किया जाता है, तब वह यह गुण प्राप्त करती है। LHC में उपयोग किए जाने वाले मैग्नेट को 1.9 केल्विन (-271.25 डिग्री सेल्सियस) तापमान पर रखा जाता है, जो अंतरिक्ष के निर्वात से भी अधिक ठंडा है। इतने कम तापमान पर तार में कोई प्रतिरोध न होने के कारण, इसमें से बहुत अधिक विद्युत प्रवाह गुजारा जा सकता है, जिसके परिणामस्वरूप अत्यंत शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न होता है। यह चुंबकीय क्षेत्र ही प्रोटॉन की किरणों को 27 किलोमीटर लंबे गोलाकार मार्ग पर बनाए रखने के लिए जिम्मेदार है।

LHC के डिजाइन में मुख्य रूप से दो प्रकार के चुंबकों का उपयोग किया जाता है: डायपोल (dipole) और क्वाड्रुपोल (quadrupole)। पूरी रिंग में कुल 1,232 डायपोल मैग्नेट लगाए गए हैं, जिनमें से प्रत्येक का वजन 35 टन है। इन डायपोल मैग्नेट का मुख्य काम प्रोटॉन बीम को गोलाकार मार्ग में मोड़ना है। यदि ये चुंबक न हों, तो प्रोटॉन सीधी रेखा में गति करके सुरंग की दीवार से टकरा जाएंगे। इसके अलावा, 392 क्वाड्रुपोल मैग्नेट का उपयोग प्रोटॉन बीम को फोकस (focus) करने के लिए किया जाता है। प्रोटॉन जब गति कर रहे हों, तब वे बिखर न जाएं और एक संकरी नली में केंद्रित रहें, यह सुनिश्चित करने का काम ये चुंबक करते हैं। इन दोनों प्रकार के चुंबकों के सटीक समन्वय से ही प्रोटॉन प्रकाश की गति के 0.999999990 गुनी गति से सुरंग में घूम सकते हैं।

इन चुंबकों को सुपरकंडक्टिंग अवस्था में रखने के लिए लिक्विड हीलियम (liquid helium) का उपयोग किया जाता है। LHC में लगभग 96 टन सुपरफ्लुइड हीलियम-4 का उपयोग होता है, जो इसे विश्व की सबसे बड़ी क्रायोजेनिक सुविधा बनाता है। क्रायोजेनिक्स (cryogenics) का अर्थ है अत्यधिक कम तापमान पर पदार्थों के व्यवहार का अध्ययन और उसका उत्पादन। यह हीलियम मैग्नेट की कॉइल को ठंडा रखती है ताकि वे सुपरकंडक्टिविटी बनाए रख सकें। मैग्नेट की कॉइल बनाने के लिए नियोबियम-टाइटेनियम (Nb-Ti) नामक मिश्र धातु का उपयोग किया जाता है। इस तार के भीतर तांबे का मैट्रिक्स (matrix) होता है जो यांत्रिक मजबूती प्रदान करता है और यदि कभी सुपरकंडक्टिविटी बाधित हो, तो विद्युत प्रवाह को वैकल्पिक मार्ग प्रदान करता है।

प्रोटॉन को LHC की मुख्य रिंग में भेजने से पहले उन्हें क्रमिक रूप से छोटे त्वरकों (accelerators) से गुजारा जाता है। यह प्रक्रिया हाइड्रोजन गैस के सिलेंडर से शुरू होती है, जहाँ से हाइड्रोजन परमाणु प्राप्त किए जाते हैं। सबसे पहले Linac4 नामक लीनियर एक्सीलरेटर (linear accelerator) हाइड्रोजन आयनों को 160 MeV (मेगा इलेक्ट्रॉन वोल्ट) की ऊर्जा देता है। इसके बाद उन्हें प्रोटॉन सिंक्रोट्रॉन बूस्टर (PSB) में भेजा जाता है, जहाँ इलेक्ट्रॉनों को हटाकर केवल प्रोटॉन रखे जाते हैं। यहाँ से प्रोटॉन 2 GeV (गीगा इलेक्ट्रॉन वोल्ट) की ऊर्जा प्राप्त करते हैं और प्रोटॉन सिंक्रोट्रॉन (PS) में जाते हैं। अंत में सुपर प्रोटॉन सिंक्रोट्रॉन (SPS) द्वारा उन्हें 450 GeV तक पहुँचाया जाता है और फिर मुख्य LHC रिंग में इंजेक्ट (inject) किया जाता है।

जब प्रोटॉन मुख्य रिंग में होते हैं, तब उन्हें 450 GeV से 6.5 TeV (टेरा इलेक्ट्रॉन वोल्ट) तक त्वरित करने में लगभग 20 मिनट का समय लगता है। इस दौरान सुपरकंडक्टिंग डायपोल मैग्नेट का चुंबकीय क्षेत्र 0.54 टेस्ला (tesla) से बढ़ाकर 7.7 टेस्ला किया जाता है। टेस्ला चुंबकीय क्षेत्र की तीव्रता मापने की इकाई है। जैसे-जैसे प्रोटॉन की ऊर्जा बढ़ती है, उन्हें वृत्ताकार मार्ग में बनाए रखने के लिए अधिक शक्तिशाली चुंबकीय बल की आवश्यकता होती है। यही कारण है कि मैग्नेट में बहने वाले विद्युत प्रवाह को धीरे-धीरे बढ़ाया जाता है। एक बार जब प्रोटॉन अपनी अधिकतम ऊर्जा पर पहुँच जाते हैं, तो उन्हें घंटों तक रिंग में घुमाया जाता है और चार मुख्य बिंदुओं पर टकराया जाता है।

सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट के संचालन में सबसे बड़ा खतरा क्वेंच (quench) का होता है। क्वेंच एक ऐसी असामान्य स्थिति है जिसमें सुपरकंडक्टिंग कॉइल का कोई हिस्सा अचानक सामान्य अवस्था में आ जाता है और विद्युत प्रतिरोध प्रदर्शित करने लगता है। ऐसा तब हो सकता है जब चुंबकीय क्षेत्र बहुत बढ़ जाए या तापमान में मामूली वृद्धि हो। जब क्वेंच होता है, तो उस हिस्से में अचानक गर्मी उत्पन्न होती है (Joule heating), जो आसपास के हिस्सों को भी सामान्य अवस्था में धकेल देती है। यह एक चेन रिएक्शन की तरह है जो सेकंडों में पूरे मैग्नेट को गर्म कर सकता है। 2008 में LHC के प्रारंभिक चरण में ऐसा ही एक बड़ा क्वेंच हुआ था, जिसके कारण कई मैग्नेट को नुकसान हुआ था और उन्हें बदलना पड़ा था।

ऐसे खतरों से बचने के लिए LHC में क्वेंच डिटेक्शन सिस्टम (QDS) और सुरक्षात्मक हीटर्स लगाए गए हैं। यदि सिस्टम वोल्टेज में जरा भी असंतुलन भांप लेता है, तो वह तुरंत सुरक्षा उपकरणों को सक्रिय कर देता है। ये उपकरण मैग्नेट में संग्रहीत प्रचंड ऊर्जा को सुरक्षित रूप से बाहर निकालते हैं और उसे धातु के बड़े ब्लॉकों में स्थानांतरित करते हैं जो गर्म होकर ऊर्जा का निपटान करते हैं। यह प्रक्रिया मैग्नेट को स्थायी नुकसान से बचाती है। वैज्ञानिकों के लिए क्वेंच एक सामान्य घटना है, लेकिन इसे नियंत्रित करना अत्यंत आवश्यक है क्योंकि एक डायपोल मैग्नेट की कीमत लाखों डॉलर में होती है।

LHC न केवल प्रोटॉन, बल्कि सीसा (lead) जैसे भारी आयनों को भी टकराता है। इस प्रक्रिया द्वारा क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा (quark–gluon plasma) की स्थिति उत्पन्न की जाती है, जो ब्रह्मांड के निर्माण के शुरुआती क्षणों में अस्तित्व में थी ऐसा माना जाता है। इन प्रयोगों के लिए ALICE, ATLAS, CMS और LHCb जैसे विशाल डिटेक्टर्स का उपयोग किया जाता है। ये डिटेक्टर्स वास्तव में विशाल कैमरों की तरह हैं जो एक सेकंड में लाखों टक्करों की तस्वीरें लेते हैं। 2012 में हिग्स बोसॉन (Higgs boson) कण की खोज इन्हीं डिटेक्टर्स और मैग्नेट की सटीकता के कारण संभव हुई थी। हिग्स बोसॉन वह कण है जो अन्य सभी कणों को द्रव्यमान (mass) देता है।

भारत के लिए भी LHC का महत्व बहुत है। भारतीय वैज्ञानिकों और इंजीनियरों ने LHC के निर्माण में महत्वपूर्ण योगदान दिया है। विशेष रूप से सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट की सपोर्ट सिस्टम और वैक्यूम टेक्नोलॉजी में भारत की भूमिका उल्लेखनीय रही है। CERN के साथ सहयोग से भारतीय शोधकर्ताओं को अत्याधुनिक टेक्नोलॉजी और डेटा एनालिसिस का अनुभव मिलता है, जिसका उपयोग भविष्य में भारत के अपने एक्सीलरेटर प्रोग्राम्स में किया जा सकता है। इसके अलावा, LHC में इस्तेमाल होने वाली टेक्नोलॉजी जैसे सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट, अब मेडिकल क्षेत्र में MRI मशीनों में और जापान में बन रही मैगलेव (maglev) ट्रेनों में भी इस्तेमाल की जा रही है।

भविष्य में LHC को और अधिक शक्तिशाली बनाने के लिए 'हाई-ल्युमिनोसिटी LHC' (High-Luminosity LHC) प्रोजेक्ट पर काम चल रहा है। इसके लिए नियोबियम-टिन (Nb3Sn) नामक नए प्रकार के सुपरकंडक्टिंग मटेरियल का उपयोग किया जाएगा, जो 12 से 15 टेस्ला तक का चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न कर सकेगा। इससे टक्करों की संख्या में दस गुना वृद्धि होगी, जिससे वैज्ञानिकों को डार्क मैटर (dark matter) और अतिरिक्त आयामों (extra dimensions) जैसे रहस्यों को सुलझाने में मदद मिलेगी। लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर केवल एक मशीन नहीं है, बल्कि मानवीय जिज्ञासा और इंजीनियरिंग कौशल का एक अद्भुत उदाहरण है जो हमें ब्रह्मांड के गूढ़ सत्यों की ओर ले जाता है।