ब्रह्मांड के 'प्रेत कणों' की खोज: जापान के पहाड़ों के नीचे धड़कता सुपर-कियोमियोकांडे का विज्ञान

ब्रह्मांड में ऐसे असंख्य कण हैं जो हमारे आसपास से और हमारे शरीर से हर सेकंड गुजरते हैं, फिर भी हमें इसका अहसास तक नहीं होता। इन रहस्यमय कणों को न्यूट्रिनो (neutrino) कहा जाता है, जिनका कोई विद्युत आवेश नहीं होता और द्रव्यमान भी नगण्य होता है। इन 'भूतिया कणों' को पकड़ने के लिए जापान के गिफू प्रान्त के हिडा शहर के पास माउंट इकेनोकुनी के नीचे १,००० मीटर (३,३०० फीट) की गहराई पर एक अद्भुत प्रयोगशाला बनाई गई है, जिसे सुपर-कैमियोकांडे (Super-Kamiokande) या संक्षेप में 'सुपर-के' (Super-K) के रूप में जाना जाता है। यूनिवर्सिटी ऑफ़ टोक्यो की इंस्टीट्यूट फॉर कॉस्मिक रे रिसर्च द्वारा संचालित यह वेधशाला विज्ञान जगत की सबसे महत्वपूर्ण कड़ियों में से एक है।

सुपर-कैमियोकांडे केवल एक प्रयोगशाला नहीं है, बल्कि इंजीनियरिंग और भौतिकी का एक बेजोड़ नमूना है। यह ज़मीन के अंदर मोजुमी खदान में स्थित है, ताकि पृथ्वी की सतह पर आने वाले अन्य ब्रह्मांडीय किरणों के व्यवधान से बचा जा सके। इस वेधशाला का मुख्य उद्देश्य उच्च-ऊर्जा वाले न्यूट्रिनो की खोज करना, प्रोटॉन क्षय (proton decay) की जाँच करना और सूर्य तथा वायुमंडल से आने वाले न्यूट्रिनो का अध्ययन करना है। इसके अलावा, यह हमारी आकाशगंगा यानी मिल्की वे में होने वाले सुपरनोवा (supernova) यानी तारों के विस्फोट पर भी नज़र रखती है।

इस डिटेक्टर की संरचना एक विशाल बेलनाकार स्टेनलेस स्टील के टैंक जैसी है। इस टैंक की ऊँचाई ४१.४ मीटर (१३६ फीट) और व्यास ३९.३ मीटर (۱۲۹ फीट) है। इस विशाल पात्र में ५०,२२० टन अल्ट्राप्योर वाटर (ultrapure water) यानी अत्यंत शुद्ध पानी भरा होता है। टैंक की आंतरिक संरचना को स्टेनलेस स्टील के ढाँचे द्वारा दो भागों में विभाजित किया गया है: इनर डिटेक्टर (inner detector - ID) और आउटर डिटेक्टर (outer detector - OD)। इनर डिटेक्टर की ऊँचाई ३६.२ मीटर और व्यास ३३.८ मीटर है, जो मुख्य रूप से न्यूट्रिनो की प्रतिक्रियाओं को दर्ज करने का काम करता है।

न्यूट्रिनो को पकड़ने के लिए इस टैंक के अंदर हज़ारों की संख्या में फोटोमल्टीप्लायर ट्यूब (photomultiplier tube - PMT) लगाई गई हैं। ये ट्यूब वास्तव में अत्यधिक संवेदनशील प्रकाश सेंसर हैं। इनर डिटेक्टर में ५० सेमी (२० इंच) व्यास वाली ११,१४६ PMT लगाई गई हैं, जो अंदर की ओर मुँह करके व्यवस्थित हैं। दूसरी ओर, आउटर डिटेक्टर में २० सेमी (८ इंच) व्यास वाली १,८८५ PMT हैं। इन दोनों भागों को ऑप्टिकली अलग रखने के लिए टाइवेक (Tyvek) और ब्लैकशीट का अवरोध बनाया गया है, ताकि एक भाग का प्रकाश दूसरे में न जाए।

जब कोई न्यूट्रिनो पानी के अणु में मौजूद इलेक्ट्रॉन या न्यूक्लियस से टकराता है, तो वह एक आवेशित कण पैदा करता है। यह कण पानी में प्रकाश की गति से भी अधिक तेज़ी से गति करता है। उल्लेखनीय है कि निर्वात में प्रकाश की गति सबसे अधिक होती है, लेकिन पानी जैसे माध्यम में वह धीमी हो जाती है। जब कोई कण माध्यम में प्रकाश की गति को पार कर जाता है, तो वह 'चेरेंकोव रेडिएशन' (Cherenkov radiation) नामक नीले प्रकाश का एक शंकु (cone) पैदा करता है। यह घटना विमान द्वारा पैदा किए जाने वाले 'सोनिक बूम' जैसी ही है, लेकिन यहाँ आवाज़ के बजाय प्रकाश होता है।

यह चेरेंकोव प्रकाश डिटेक्टर की दीवारों पर एक रिंग या वृत्त के रूप में दिखाई देता है, जिसे वहाँ लगे PMTs द्वारा रिकॉर्ड किया जाता है। प्रत्येक PMT द्वारा दर्ज किए गए समय और आवेश की जानकारी का उपयोग करके वैज्ञानिक यह तय करते हैं कि न्यूट्रिनो कहाँ से आया था, उसकी दिशा कौन सी थी और उसका प्रकार (flavor) कौन सा है। यदि प्रकाश की रिंग के किनारे अस्पष्ट हों, तो वह इलेक्ट्रॉन हो सकता है, क्योंकि इलेक्ट्रॉन अधिक बिखरते हैं। यदि किनारे बिल्कुल तीक्ष्ण (sharp) हों, तो उसके म्युआन (muon) होने की संभावना अधिक होती है।

सुपर-कैमियोकांडे का इतिहास भी काफ़ी दिलचस्प है। इसके पूर्ववर्ती डिटेक्टर 'कैमियोकांडे' (KamiokaNDE) का निर्माण 1982 में शुरू हुआ था। इसका मुख्य उद्देश्य प्रोटॉन क्षय खोजना था, जो भौतिकी का एक बुनियादी प्रश्न है। हालाँकि, कैमियोकांडे को प्रोटॉन क्षय तो नहीं मिला, लेकिन 1987 में इसने एक सुपरनोवा (SN 1987A) से आ रहे 10 न्यूट्रिनो खोज निकाले। यह एक बड़ी उपलब्धि थी क्योंकि इससे साबित हुआ कि सूर्य न्यूट्रिनो का स्रोत है। इस सफलता के बाद, अधिक संवेदनशील डिटेक्टर की आवश्यकता पैदा हुई, जिसने सुपर-कैमियोकांडे के निर्माण का मार्ग प्रशस्त किया।

सुपर-कैमियोकांडे प्रोजेक्ट को 1991 में जापान सरकार द्वारा मंज़ूरी मिली थी, जिसमें अनुमानित $100 मिलियन का फंड आवंटित किया गया था। अमेरिका ने भी इस प्रोजेक्ट में $3 मिलियन का योगदान दिया था। 1996 में इसका संचालन शुरू हुआ और महज़ दो ही साल में, 1998 में, इसने न्यूट्रिनो ओसिलेशन (neutrino oscillation) के प्रमाण पेश किए। इस खोज ने साबित किया कि न्यूट्रिनो के पास शून्य से ज़्यादा द्रव्यमान (mass) है। इस क्रांतिकारी खोज के लिए सुपर-कैमियोकांडे के शोधकर्ता ताकाकी काजिता (Takaaki Kajita) को 2015 में भौतिकी का नोबेल प्राइज़ दिया गया था।

डिटेक्टर के इतिहास में एक दुर्घटना भी दर्ज है। 12 नवंबर 2001 के दिन, मेंटेनेंस के दौरान अचानक एक PMT फूट गया और उसके झटके से आस-पास की लगभग 6,600 ट्यूब्स चेन रिएक्शन (chain reaction) में नष्ट हो गईं। इस नुक़सान के बाद डिटेक्टर को फिर से दुरुस्त किया गया। भविष्य में ऐसी घटना न हो इसलिए हर PMT पर एक्रेलिक और फ़ाइबर-रीइन्फ़र्स्ड प्लास्टिक का आवरण चढ़ाया गया है। इन सुधारों के साथ डिटेक्टर के विभिन्न चरण (SK-I से SK-VII) कार्यरत रहे हैं।

तकनीकी दृष्टि से २००८ में किया गया SK-IV अपग्रेड बहुत महत्वपूर्ण था। पुरानी एनालॉग सिस्टम के बजाय नई QBEE (QTC-based electronics with Ethernet) सिस्टम शुरू की गई। इस सिस्टम में कस्टम-निर्मित ASIC चिप्स और FPGA का उपयोग किया गया है, जो डेटा प्रोसेसिंग की गति और सटीकता को बढ़ाते हैं। यह नई इलेक्ट्रॉनिक्स सिस्टम ०.२ से २५०० पिकोकूलम्ब (pC) तक के आवेश को माप सकती है, जिसकी क्षमता पुरानी प्रणाली की तुलना में पाँच गुना अधिक है।

२०२० में इस प्रयोग में एक नया मोड़ आया, जिसे 'सुपर-केजीडी' (SuperKGd) प्रोजेक्ट कहा जाता है। वैज्ञानिकों ने टैंक के अल्ट्राप्योर पानी में गैडोलिनियम (gadolinium) नामक लवण मिलाया। गैडोलिनियम में न्यूट्रॉनों को पकड़ने की अद्भुत क्षमता होती है। जब एंटी-न्यूट्रिनो पानी के प्रोटॉन के साथ टकराते हैं, तो वे न्यूट्रॉन और पॉजिट्रॉन उत्पन्न करते हैं। गैडोलिनियम इस न्यूट्रॉन को सोख लेता है और गामा किरणों की चमक पैदा करता है। इससे वैज्ञानिक न्यूट्रिनो और एंटी-न्यूट्रिनो के बीच के अंतर को स्पष्ट रूप से समझ सकते हैं।

पानी की शुद्धता बनाए रखना इस प्रयोग का सबसे बड़ा चुनौतीपूर्ण कार्य है। यदि पानी में अशुद्धियाँ हैं, तो वे चेरेनकॉव प्रकाश को अवशोषित कर लेती हैं या विक्षेपित कर देती हैं, जिससे संकेत PMTs तक नहीं पहुँच पाते हैं। सुपर-कैमियोकांड़े में एक अत्यंत जटिल वाटर प्यूरिफिकेशन सिस्टम है जो लगातार पानी को साफ करती है। गैडोलिनियम मिलाने के बाद चुनौती यह थी कि पानी से अशुद्धियाँ दूर हों लेकिन गैडोलिनियम सुरक्षित रहे। इसके लिए वैज्ञानिकों ने एक विशेष प्रकार की फिल्ट्रेशन सिस्टम विकसित की है।

सुपर-कैमियोकांड़े न केवल जापान के लिए, बल्कि पूरी दुनिया के लिए महत्वपूर्ण है। यह सुपरनोवा विस्फोट होने के एक सेकंड के भीतर दुनिया भर के खगोलविदों को अलर्ट भेज सकता है। इस डिटेक्टर से मिलने वाली जानकारी हमें सूर्य के केंद्र में होने वाली प्रक्रियाओं और ब्रह्मांड के शुरुआती समय में द्रव्य (matter) और प्रति-द्रव्य (anti-matter) के बीच के असंतुलन को समझने में मदद करती है। भले ही यह ज़मीन के नीचे छिपा हुआ है, लेकिन इसकी नज़र ब्रह्मांड के सबसे गहरे रहस्यों पर है।