વર્લ્ડફેમસ પાર્ટીકલ એસેલરેટર
ભૌતિકશાસ્ત્રની વાત આવે એટલે ઘણા લોકો વિચારવા લાગે છે કે ભાઈ! આ આપણી ગજા બહારની વાત છે. આમ છતાં લોકો 'હિગ્સ બોસોન' 'ગોડ પાર્ટીક્લ' વગેરેને લગતાં સમાચારો-લેખો ખૂબ જ રસપૂર્વક વાંચતાં હોય છે. ભૌતિકશાસ્ત્રનો પાયો એટલે પરમાણુ. અતિસુક્ષ્મ પરમાણુનાં બંધારણ અને લાક્ષણિકતાઓને માણવાની વૈજ્ઞાનિકોને ઇચ્છા થઈ અને કણભૌતિકી એટલે કે પાર્ટીકલ ફીજીકસનો જન્મ થયો. પરમાણુથી નાનાં કણોને 'સબ-એટમીક' પાર્ટીકલ નામ મળ્યું. સબ એટમીક પાર્ટીકલ એટલે પરમાણુ રચનારા ઈલેક્ટ્રોન, પ્રોટોન અને ન્યુટ્રોન તો ખરાં જ. હવે સવાલ એ થયો કે આ કણો શેના બનેલાં છે? ઓગણીસમી સદીમાં જે. જે. થોમસને ઈલેક્ટ્રોનની શોધ કરી હતી (૧૮૯૬). ૧૯૨૦માં અર્નસ્ટ રૃથરફોર્ડે પ્રોટોનની શોધ કરી આપી. ૧૯૩૨માં જેમ્સ રોડવીકે ન્યુટ્રોનનો આવિષ્કાર કર્યો અને... વૈજ્ઞાનિકોને વળી, આ ન્યુટ્રોન, પ્રોટોન, ઈલેક્ટ્રોન વગેરે શેના બનેલા છે તે જાણવાની તાલાવેલી લાગી. એક સમયે કહેવાતું કે પરમાણું અવિભાજ્ય છે. છતાં તેનું વિભાજન કરતાં અતિ પુષ્કળ ઊર્જા મેળવતા પણ વૈજ્ઞાનિકો શીખ્યા. વૈજ્ઞાનિકો એ પણ જાણી શક્યા કે પ્રોટોન અને ન્યટ્રોન જેવા ભારે કદનાં પરમાણુ સમુહ બેરીયોત, ક્વાર્ક નામનાં કણોનાં બને છે. અને છ પ્રકારનાં કવાર્ક શોધાયા. આ બધી શોધ પાછળ પાર્ટીકલ એસેલરેટરની ભૂમિકા મહત્વની હતી. અને... એકવીસમી સદીનાં પાર્ટીકલ ફીજીકસને નવી ઉંચાઈ ઉપર પહોચાડવામાં સિંહફાળો વિવિધ પાર્ટીકલ એસેલરેટરનો જ રહેશે...
પાર્ટીકલ એસેલરેટર એટલે શું?
ઈલેક્ટ્રોન અને પ્રોટોન વિજભાર ધરાવે છે. જ્યાંથી વિદ્યુત પસાર થાય છે તે માધ્યમની આસપાસ ખાસ પ્રકારનું ક્ષેત્ર રચાય છે જેને ઈલેક્ટ્રોમેગ્નેટીક ફિલ્ડ કહે છે. ગુજરાતીમાં તેને વિજચુંબકીય ક્ષેત્ર કહે છે. વિજચુંબકીય ક્ષેત્રમાં પરમાણુ કરતાં નાનાં કણોની લાક્ષણિકતાઓ અલગ અંદાજ આપે છે કારણ કે આવા સબએટમીક પાર્ટીકલ્સ ઉપર વિજચુંબકીય ક્ષેત્રની અસર અલગ અલગ થાય છે. પાર્ટીકલ એસેલરેટર એટલે કે કણ-પ્રવેગમાં વિજચુંબકીય ક્ષેત્રનું સર્જન કરીને વિજભારીત કણોને ખૂબ જ ઝડપે (લગભગ પ્રકાશની ઝડપે) એક બીજા શેરડામાં ફેરવવામાં આવે છે. જો બે અલગ અલગ દિશામાંથી આવતા કણો સામસામે ટકરાય તો તૂટીને નાના કણોમાં ફેરવાઈ શકે. જો કોઈ કણોની આખી હારમાળા માની લો કે વર્તુળાકારમાં એક દિશામાં ફરી રહી છે અને માર્ગમાં એકાદ કણને પરાણે મુકવામાં આવે તો પણ કણ કણ વચ્ચે અથડામણ અવશ્ય થાય અને વૈજ્ઞાનિકોને તુટેલા કણોમાં નવા કણ પણ મળી આવે.
પાર્ટીકલ એસેલરેટર બે પ્રકારનાં હોય છે. એક : ઈલેક્ટ્રોસ્ટેટીક એસેલરેટર જેમાં સ્ટેટીક ઈલેક્ટ્રીક ફિલ્ડથી કણોને ખૂબ ઝડપથી ફેરવવામાં આવે છે. જુના ટેલીવીઝન સેટની પિક્ચર ટયુબ આવા નાના સ્કોલનાં સ્ટેટીક એસેલરેટરનું ઉદાહરણ છે. બીજા પ્રકારનાં એસેલરેટરમાં ગતિ ઊર્જા એટલે કે કાઈતેટીક એનર્જી આપીને કણોને ઝડપથી ગતીમાં લાવવામાં આવે છે. છેવટે વિવિધ કણો વચ્ચે અથડામણ સર્જીને વૈજ્ઞાનિકો નાની ઘટનામાં કુદરતનું વિરાટ દર્શન કરે છે. બીજા પ્રકારનાં પાર્ટીકલ એસેલરેટરમાં 'લાર્જ હેદ્રોન કોલાયકર' (LHC) જેવાં પાર્ટીકલ એસેલરેટરનો સમાવેશ થાય છે. ૪ જુલાઈ ૨૦૧૨માં હિગ્સબોસોનની શોધની જાહેરાત કરવામાં આવી હતી. ૨૦૧૩માં આ કણને 'હિગ્સ બોસોન' જ હોવાનું ફાઈનલ સર્ટીફીકેટ પણ આપ્યું. જ્યાં 'હિગ્સ બોસોન' જેને ગોડ પાર્ટીકલ કહે છે, તેની શોધ થઈ. તે બીજા પ્રકારનાં પાર્ટીકલ એસેલરેટરની કક્ષામાં આવે છે. આખરે આપણી દુનિયામાં આવા પાવરફુલ પાર્ટીકલ એસેલરેટર કેટલાં છે? તેમનું ભવિષ્ય શું છે? ભૂતકાળમાં તેમણે ભૌતિકશાસ્ત્રને આગળ ધપાવવામાં શું યોગદાન આપ્યું છે. તેની આછેરી ઝલક માણીશું.
પાર્ટીકલ એસેલરેટર માટે યોગ્ય 'કણ' કયાં?
પાર્ટીકલ એસેલરેટરમાં અથડામણ સર્જીને નવા કણોનાં સર્જન માટે યોગ્ય સબએટમીક પાર્ટીકલ (કણ) કેવાં હોવા જોઈએ? ઈલેક્ટ્રો મેગ્નેટીક ફિલ્મમાં કણ ઉત્તરોેત્તર ઝડપ વધારતાં જાય તે માટે તેઓ કોઈક પ્રકારનો વિજભાર ધરાવતાં હોવા જોઈએ. ઈલેક્ટ્રોન અને પ્રોટોન એવા કણ છે જે વિજભાર ધરાવે છે. ઈલેક્ટ્રોનની બીજી એક ખાસીયત છે. તેનું કદ અનહદ નાનું છે. તેનાં કરતાં પ્રોટોન ૨૦૦૦ ગણુ વધુ કદ ધરાવે છે. જ્યારે ઈલેક્ટ્રોન અન્ય કણ સાથે માથાભેર ટકરાય છે ત્યારે તે પોતે વિભાજીત થતો નથી. આ હિસાબે જેની સાથે ટકરાવ તે કણનો જ સ્વચ્છ ભુકો મળે. બીજી ખામી કહો કે ખુબી ઈલેક્ટ્રોન વર્તુળાકારે ફેરવવામાં આવે તો તે ઊર્જા મુક્ત કરે છે. તેથી તેને 'બીનીયર' એટલે કે સીધી લીટીનાં પાર્ટીકલ એસેલરેટરમાં વાપરી શકાય. પ્રોટોન, ઈલેક્ટ્રોન કરતાં ૨૦૦૦ ગણો વધારે વજનદાર છે. જેમાં ઘણા બધા ગ્લુઓન્સ, ક્વાર્ક અને એન્ટી-ક્વાર્કની જોડીઓ સમાએલી છે. ત્રણ વેલિન્સ 'ક્વાર્ક' તેને ઘન વિજભાર આપે છે. જ્યારે પ્રોટોન કણની અથડામણ થાય ત્યારે ઘણા બધા ટુકડા અલગ કણ તરીકે અલગ અલગ દિશામાં વિખેરાઈ જાય છે. તેમને પારખી, તેમની વિગતો મેળવવી ખૂબ જ ગુચવણ ભર્યું બની જાય છે. પ્રોટોનની બીજી ખાસીયત ખૂબજ ખાસ-મ-ખાસ છે. પ્રોટોનની ગતિને પ્રવેગ આપી, ૯૯.૯૯૯૯ ટકા જેટલી પ્રકાશની ઝડપે લાવી શકાય છે. આ સમયે તેની પાસે ખૂબ જ પ્રમાણમાં ઊર્જા હોય છે. અને આલ્બર્ટ આઈનસ્ટાઈને આપણને શિખવ્યું છે કે, 'દળ (માસ) અને એનર્જી (ઊર્જા) 'ઈન્ટરચેન્જેબલ' (એકમાંથી બીજા સ્વરૃપમાં ફેરવી શકાય) છે. અને... અહીંજ ખરો ચમત્કાર થાય છે. બે પ્રોટોન અથડાય છે ત્યારે, પુષ્કળ પ્રમાણમાં ઊર્જા પેદા થાય છે. અને સંભવતઃ યોગ્ય પરિસ્થિતિમાં ઊર્જા પોતાનું સ્વરૃપ બદલીને 'નવા કણ'નું સ્વરૃપ ધારણ કરે છે. 'હિગ્સ બોસોન' પણ આ રીતે આપણને મળ્યો છે. પ્રોટોનની અથડામણમાં પેદા થતા કણોને વૈજ્ઞાનિકો 'પૃથકરણ' કરી નવું જ્ઞાન મેળવે છે. નવાં કણોનાં સર્જન મટે, ગોળાકાર પાર્ટીકલ એસેલરેટર અને પ્રોટોન કણો વૈજ્ઞાનિકોનાં 'લાડકા' ગણાય છે.
સ્ટેનફોર્ડ લિનીયર એસેલરેટર સેન્ટર : (SLAC)
૧૯૬૨માં SLAC ની સ્થાપના થઈ હતી. તે ૪૨૬ એકર (લગભગ પોણા બે ચોરસ કી.મી.) વિસ્તારમાં છવાયેલું છે. અહીં લગભગ ૧૭૦૦ લોકો કામ કરે છે. ઈલેક્ટ્રોન/પોઝીટ્રોન બીઝ વાપરીને એટમીક ફીનીક્સ, રસાયણશાસ્ત્ર, જીવવિજ્ઞાન અને મેડિસીન ક્ષેત્રનાં સંશોધનો કરવામાં આવે છે. મુખ્યકણ પ્રેેવેસનેક બે માઈલ જેટલું લાબું છે. અહીં થયેલ સંશોધનમાં આર્મ ક્વાર્કની શોધ, પ્રોટોન અને ન્યુટ્રોનમાં કવાર્ક બંધારણ અને રાઉ લેપ્ટોનની શોધ માટે, વૈજ્ઞાનિકોને ત્રણ વાર નોબેલ પ્રાઈઝ મળ્યાં છે. ૧૯૯૧માં અહીં દુનિયાનું પ્રથમ 'વર્લ્ડ વાઈડ વેબ' (www) સરવર શરૃ થયું હતું. ૧૯૯૦નાં દાયકામાં ૨ બોસોનની લાક્ષણિકતાઓની ખોજ SLAC માં કરવામાં આવી હતી. સ્ટેનફોર્ડ સિન્ક્રોટોન રેડિપેશન લેબોરેટરીનાં રેડિપેશન રિચર્સ માટે ૨૦૦૬નું રસાયણશાસ્ત્રનું નોબેલ પ્રાઈઝ સંશોધકોને મળ્યું હતું.
હાઈપાવર માઈક્રોવેવ એમ્પલીફીકેશન ટયુબ 'કલીસ્ટ્રોન'ની શોધમાં SLAC ની મહત્ત્વની ભૂમિકા હતી. તાજેતરમાં અહીં એક્સરે લેસર વડે પરમાણુ અને રેણુઓનું વિગતવાર સંશોધન થઈ શકે છે. અહીંના અનુભવી વૈજ્ઞાનિકોએ 'લાર્જ હેડ્રોન કોલાપકર' (LHC) માં પણ સેવા આપી છે. SLAC માં આજથી ૧૫ વર્ષ પહેલાં વિજળીનું બીલ દસ લાખ ડોલર આવતું હતું. અહીં ૧૫૧ બીલ્ડીંગ છે.
ફરમીલેબ ટેવાટ્રોન :
ટેવાટ્રોન બાટીવિયાની ફરમી લેબમાં આવેલ પાર્ટીકલ એસેલરેટર છે. છેલ્લા ૨૫ વર્ષથી તેની ગણના એક પાવરફુલ એસેલરેટર તરીકે થાય છે. લાર્જ હેડ્રોન કોલાપકર (LHC) ની રચના થઈ ન હતી તે પહેલાં, ટેવાટ્રોનમાં ભારે પ્રોટોનને રેકોર્ડ એનર્જી લેવલે લાવ્યું હતું. ૨૦૦૯માં LHC એ આ રેકોર્ડ તોડયો હતો. ૩૦ સપ્ટેમ્બર ૨૦૧૧માં ફરમી લેબનાં ટેવાટ્રોનને કાયમ માટે બંધ કરી દેવામાં આવ્યું હતું. ફરમી લેબ 'ટોપ' કર્વાકની શોધ માટે જાણીતું છે. ફરમી લેબ શરૃઆતમાં નેશનલ એસેલરેટર લેબોરેટરી તરીકે જાણીતી હતી. ૧૯૭૪માં ખ્યાતનામ વૈજ્ઞાનિક એનરિકો ફરમીનાં બહુમાનમાં તેનું નામકરણ 'ફરમીલેબ' કરવામાં આવ્યું હતું.
બીજા વિશ્વયુદ્ધનાં સમયકાળમાં એનરીકો ફરમી ઈટલી છોડીને ન્યુયોર્ક આવી ગયા હતાં. ૩૭ વર્ષની ઉંમરે ૧૯૩૮માં તેમને ભૌતિકશાસ્ત્રનું નોબેલપ્રાઈઝ આપવામાં આવ્યું હતું. વિશ્વ તેમને વિશ્વનાં પ્રથમ પરમાણુ રિએક્ટરનાં સર્જનહાર તરીકે ઓળખે છે. તેમણે પાર્ટીકલ ફીજીકસ અને ક્વોનમ થિયરીમાં મહત્વનું યોગદાન આપ્યું છે. પ્રોટોન અને ન્યુટ્રોન ૬.૩૦ કી.મી. લાંબી વર્તુળાકાર રીંગમાં એક ટ્રીલીઅન ઈલેકટ્રોન વોલ્ટ એનર્જી લેવલ સુધી (1 TEV) લાવી શકાય છે. જેનાં ઉપરથી તેનું નામ ટેવાટ્રોન પડયું છે. દર સેકંડે ટેવાટ્રોનમાં એક કરોડ પ્રોટોન-એન્ટી પ્રોટોનની અથડામણ કરવામાં આવે છે. 'ટોપ ક્વાર્ક' ફરમી લેબની શોધ છેેે. અહીંના વૈજ્ઞાનિકોએ ૨૦૧૨માં હિગ્સ બોસોનને ૧૧૫થી ૧૩૫ GeV વચ્ચે નિહાળ્યો હોવાની જાહેરાત કરી હતી. લાર્જ હેડ્રોન કોલાપઝનાં વૈજ્ઞાનિકોએ ત્યારબાદ હિગ્સ બોસોનને આ એનર્જી લેવલ વચ્ચે શોધવાની કોશીશ કરી હતી. છેવટે 125 GeV 'માસ' લેવલે હિગ્સ બોસોનની શોધ થઈને રહી હતી.
હજારો માઈલ દૂર થતાં ભૂકંપનાં આંચકાને ફરમી લેબનાં સેન્સર પારખી શકે છે. બંધ થયું ત્યાં સુધી ૨૦ જેટલાં મહત્વના ધરતીકંપની માહિતી ફરમી લેબમાં મળી હતી.
LEP અને SPS (સર્ન-જીનીવા)
યુરોપનાં સ્વીટ્ઝરલેન્ડમાં જીનીવા નજીક યુરોપીઅન સંઘ CERN નાં પાર્ટીકલ એસેલરેટર આવેલા છે. નેવુંના દાયકામાં અહીં લાર્જ ઈલેક્ટ્રોન પોઝીટોન કોલાપકરની રચનાંકરવામાં આવી હતી. જેનો પરીઘ ૨૭ કી.મી. જેટલો હતો. પૃથ્વીની સપાટીથી ૫૦થી ૧૭૫ મીટર નીચે તેની રચનાં કરવામાં આવી હતી. ૧૯૮૯થી ૨૦૦૦ સુધી લાર્જ ઈલેક્ટ્રોન પોઝીટોન (LEP) કોલાપડર કાર્યરત રાખવામાં આવ્યું હતું. અત્યાર સુધી બાંધવામાં આવેલ લેપ્ટોન (ઈલેક્ટ્રોન અને પોઝીટ્રોન) એસેલરેટરમાં LEP સૌથી વધારે પાવરફુલ એસેલરેટર હતું. નવું લાર્જ હેડ્રોન કોલાપડરનું નિર્માણ કરવાં LEP ને શટડાઉન કરી તોડી પાડવામાં આવ્યું હતું.
LEP ની પાસે સાત કી.મી. પરીઘનું સુપર પ્રોટોન સિન્ફોટોન (SPS) પણ બાંધેલ છે. અહીં W બોસોન કણોનાં જોડકા (W+ અને W-) ની શોધ થઈ હતી. ૧૯૮૩માં ન્યુટ્રલ Z બોસોનની શોધ પણ અહીં થઈ હતી. ૧૯૬૫માં વિકફોર્સ અને ઈલેક્ટ્રો મેગ્નેટીક ફોર્સને એક સુત્રમાં બાંધવા W બોસોનની ધારણા આપવામાં આવી હતી. વિક ફોર્સ અને ઈલેક્ટ્રો-મેગ્નેટીક ફોર્સની યુનીફીકેશન થિયરીને ૧૯૭૯માં ભૌતિકશાસ્ત્રનું નોબેલ પ્રાઈઝ આપવામાં આવ્યું હતું. આ થિયરીનાં નોબેલ પ્રાઈઝ વિજેતા શેલ્ડન ગ્લાસ ગો, સ્ટીવન વેઈનબર્ગ અને અબ્દાસ સાલમ બન્યા. આ થિયરીમાં Z બોસોનની આગાહી પણ કરવામાં આવી હતી. અહીં Z બોસોનની શોધ પણ કરવામાં આવી. ૧૯૮૪માં કાર્બોરુબીયા અને સિમોન વાનકર મિરને ૧૯૮૪માં નોબેલ પ્રાઈઝ આપવામાં આવ્યું.
હાલમાં SPS ને લાર્જહેડ્રોન કોલાપડરમાં મોકલવામાં આવતાં પ્રોટોન-એન્ટીપ્રોટોનને શરૃઆતનો પ્રવેશ મેળવવા ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. થોડા સમય પહેલાં પ્રકાશ કરતાં વધારે ઝડપી કણની જાહેરાત કરવામાં આવી હતી. તેમાં SPS દ્વારા ન્યુટ્રીનનો કણને પ્રકાશથી વધારે ઝડપે CERN થી ઈટાલીઅન ઝાન સાઓ લેબોરેટરી? મોકલવામાં આવ્યા હતાં. આ પ્રયોગનું નામ 'ફાસ્ટર ધેન લાઈટ' રાખવામાં આવ્યું હતું.
લાર્જ હેડ્રોન કોલાયડર : (સર્ન-જીનીવા)
અત્યાર સુધી બાંધવામાં આવેલ પાર્ટીકલ એસેલરેટરમાં, દુનિયાનું સૌથી વધારે પાવરફુલ અને વિશાળ પાર્ટીકલ એસેલરેટરમાં 'બાર્જ હેટ્રોન કોલાયડ' LHC નંબર વન પોઝિશન ઉપર છે. દુનિયાનાં ૧૦૦ દેશો અને દસ હજાર વૈજ્ઞાનિકો-ઈજનેરોનાં સહયોગમાં LHC બાંધવામાં આવ્યું છે. અહી ટનલ બે વર્તુળાકાર માર્ગમાં પાર્ટીકલ બીમ પસાર થાય છે. ચાર નિશ્ચિત જગ્યાએ, આ કણોની અથડામણ કરવામાં આવે છે જ્યાં પાવરફુલ ડિટેક્ટર અને સેન્સર ગોઠવેલા હોય છે. જે અથડામણમાં પેદા થતાં નવા કણોની માહિતી એકઠી કરે છે. પ્રોટોન કણોને ગોળાકારમાં ફરતું રાખવા ૨૭ ટન વજનનાં ૧૨૩૨ કાપયોલ મેગ્નેટ કાર્યરત રહે છે. આ ઉપરાંત ૩૯૨ જેટલા કવાદ્રુ પોલ મેગ્નેટ પણ લાગેલા છે.
આ ચુંબકોને માઈનસ ૨૭૧૦ સે. તાપમાને રાખવા મોટે ૯૬ ટન જેટલો પ્રવાહી હિલીયમ વાયુ વાપરવામાં આવે છે. અંતરીક્ષમાં પણ ન હોય તેટલું નીચું તાપમાન પૃથ્વી પર લાર્જ ેેહેટ્રોન કોલાયડમાં પેદા કરવામાં આવે છે. દુનિયાની સૌથી નીચા તાપમાનની હાયોજેનીક કેટેલીટીમાં LHC અવ્વલ નંબરે આવે છે. ૨૭ કી.મી. માર્ગ કાપતાં પ્રોટોનને માત્ર ૯૦ માઈક્રો સેકન્ડ લાગે છે. હજી સરળ ભાષામાં વાત કરીએ તો, એક જ સેકન્ડમાં પ્રોટોન LHC માં ૧૧,૦૦૦ વાર ગોળ ચક્કર મારી લે છે. જી હા, માત્ર એક સેકન્ડમાં ૧૧,૦૦૦ વાર.
૨૦૦૮માં પ્રથમવાર LHC કાર્યરત બન્યું હતું. એપ્રિલ ૨૦૧૨થી LHC માં 8 TeV લેવલે સુધી કણોની અથડામણ સજવામાં આવે છે. ૨૦૧૮ સુધીમાં LHC ને 14 TeV લેવલ સુધી કણોને ટકરાવવાની ક્ષમતા મેળવી લેવામાં આવશે. LHC ને ખાસ 'હિગ્સ બોસોન'ની શોધ અને અન્ય હેતુ માટે બાંધવામાં આવ્યું હતું. ૪ જુલાઈ ૨૦૧૩માં 'હિગ્સ બોસોન'ની શોધની જાહેરાત કરીને CERN અને LHC વિશ્વમાં મીડીયામાં છવાઈ ગયું હતું. 'હિગ્સ બોસોન'ની આગાહી કરવા માટે બ્રિટનનાં સર પિટર હિગ્સને ૨૦૧૩નું નોબોલ પ્રાઈઝ પણ એનાયત કરવામાં આવ્યું હતું.
ટાઈમ લાઈન : પાર્ટીકલ ઈન્વેન્શન
પાર્ટીકલ એસેલરેટર એટલે શું?
ઈલેક્ટ્રોન અને પ્રોટોન વિજભાર ધરાવે છે. જ્યાંથી વિદ્યુત પસાર થાય છે તે માધ્યમની આસપાસ ખાસ પ્રકારનું ક્ષેત્ર રચાય છે જેને ઈલેક્ટ્રોમેગ્નેટીક ફિલ્ડ કહે છે. ગુજરાતીમાં તેને વિજચુંબકીય ક્ષેત્ર કહે છે. વિજચુંબકીય ક્ષેત્રમાં પરમાણુ કરતાં નાનાં કણોની લાક્ષણિકતાઓ અલગ અંદાજ આપે છે કારણ કે આવા સબએટમીક પાર્ટીકલ્સ ઉપર વિજચુંબકીય ક્ષેત્રની અસર અલગ અલગ થાય છે. પાર્ટીકલ એસેલરેટર એટલે કે કણ-પ્રવેગમાં વિજચુંબકીય ક્ષેત્રનું સર્જન કરીને વિજભારીત કણોને ખૂબ જ ઝડપે (લગભગ પ્રકાશની ઝડપે) એક બીજા શેરડામાં ફેરવવામાં આવે છે. જો બે અલગ અલગ દિશામાંથી આવતા કણો સામસામે ટકરાય તો તૂટીને નાના કણોમાં ફેરવાઈ શકે. જો કોઈ કણોની આખી હારમાળા માની લો કે વર્તુળાકારમાં એક દિશામાં ફરી રહી છે અને માર્ગમાં એકાદ કણને પરાણે મુકવામાં આવે તો પણ કણ કણ વચ્ચે અથડામણ અવશ્ય થાય અને વૈજ્ઞાનિકોને તુટેલા કણોમાં નવા કણ પણ મળી આવે.
પાર્ટીકલ એસેલરેટર બે પ્રકારનાં હોય છે. એક : ઈલેક્ટ્રોસ્ટેટીક એસેલરેટર જેમાં સ્ટેટીક ઈલેક્ટ્રીક ફિલ્ડથી કણોને ખૂબ ઝડપથી ફેરવવામાં આવે છે. જુના ટેલીવીઝન સેટની પિક્ચર ટયુબ આવા નાના સ્કોલનાં સ્ટેટીક એસેલરેટરનું ઉદાહરણ છે. બીજા પ્રકારનાં એસેલરેટરમાં ગતિ ઊર્જા એટલે કે કાઈતેટીક એનર્જી આપીને કણોને ઝડપથી ગતીમાં લાવવામાં આવે છે. છેવટે વિવિધ કણો વચ્ચે અથડામણ સર્જીને વૈજ્ઞાનિકો નાની ઘટનામાં કુદરતનું વિરાટ દર્શન કરે છે. બીજા પ્રકારનાં પાર્ટીકલ એસેલરેટરમાં 'લાર્જ હેદ્રોન કોલાયકર' (LHC) જેવાં પાર્ટીકલ એસેલરેટરનો સમાવેશ થાય છે. ૪ જુલાઈ ૨૦૧૨માં હિગ્સબોસોનની શોધની જાહેરાત કરવામાં આવી હતી. ૨૦૧૩માં આ કણને 'હિગ્સ બોસોન' જ હોવાનું ફાઈનલ સર્ટીફીકેટ પણ આપ્યું. જ્યાં 'હિગ્સ બોસોન' જેને ગોડ પાર્ટીકલ કહે છે, તેની શોધ થઈ. તે બીજા પ્રકારનાં પાર્ટીકલ એસેલરેટરની કક્ષામાં આવે છે. આખરે આપણી દુનિયામાં આવા પાવરફુલ પાર્ટીકલ એસેલરેટર કેટલાં છે? તેમનું ભવિષ્ય શું છે? ભૂતકાળમાં તેમણે ભૌતિકશાસ્ત્રને આગળ ધપાવવામાં શું યોગદાન આપ્યું છે. તેની આછેરી ઝલક માણીશું.
પાર્ટીકલ એસેલરેટર માટે યોગ્ય 'કણ' કયાં?
પાર્ટીકલ એસેલરેટરમાં અથડામણ સર્જીને નવા કણોનાં સર્જન માટે યોગ્ય સબએટમીક પાર્ટીકલ (કણ) કેવાં હોવા જોઈએ? ઈલેક્ટ્રો મેગ્નેટીક ફિલ્મમાં કણ ઉત્તરોેત્તર ઝડપ વધારતાં જાય તે માટે તેઓ કોઈક પ્રકારનો વિજભાર ધરાવતાં હોવા જોઈએ. ઈલેક્ટ્રોન અને પ્રોટોન એવા કણ છે જે વિજભાર ધરાવે છે. ઈલેક્ટ્રોનની બીજી એક ખાસીયત છે. તેનું કદ અનહદ નાનું છે. તેનાં કરતાં પ્રોટોન ૨૦૦૦ ગણુ વધુ કદ ધરાવે છે. જ્યારે ઈલેક્ટ્રોન અન્ય કણ સાથે માથાભેર ટકરાય છે ત્યારે તે પોતે વિભાજીત થતો નથી. આ હિસાબે જેની સાથે ટકરાવ તે કણનો જ સ્વચ્છ ભુકો મળે. બીજી ખામી કહો કે ખુબી ઈલેક્ટ્રોન વર્તુળાકારે ફેરવવામાં આવે તો તે ઊર્જા મુક્ત કરે છે. તેથી તેને 'બીનીયર' એટલે કે સીધી લીટીનાં પાર્ટીકલ એસેલરેટરમાં વાપરી શકાય. પ્રોટોન, ઈલેક્ટ્રોન કરતાં ૨૦૦૦ ગણો વધારે વજનદાર છે. જેમાં ઘણા બધા ગ્લુઓન્સ, ક્વાર્ક અને એન્ટી-ક્વાર્કની જોડીઓ સમાએલી છે. ત્રણ વેલિન્સ 'ક્વાર્ક' તેને ઘન વિજભાર આપે છે. જ્યારે પ્રોટોન કણની અથડામણ થાય ત્યારે ઘણા બધા ટુકડા અલગ કણ તરીકે અલગ અલગ દિશામાં વિખેરાઈ જાય છે. તેમને પારખી, તેમની વિગતો મેળવવી ખૂબ જ ગુચવણ ભર્યું બની જાય છે. પ્રોટોનની બીજી ખાસીયત ખૂબજ ખાસ-મ-ખાસ છે. પ્રોટોનની ગતિને પ્રવેગ આપી, ૯૯.૯૯૯૯ ટકા જેટલી પ્રકાશની ઝડપે લાવી શકાય છે. આ સમયે તેની પાસે ખૂબ જ પ્રમાણમાં ઊર્જા હોય છે. અને આલ્બર્ટ આઈનસ્ટાઈને આપણને શિખવ્યું છે કે, 'દળ (માસ) અને એનર્જી (ઊર્જા) 'ઈન્ટરચેન્જેબલ' (એકમાંથી બીજા સ્વરૃપમાં ફેરવી શકાય) છે. અને... અહીંજ ખરો ચમત્કાર થાય છે. બે પ્રોટોન અથડાય છે ત્યારે, પુષ્કળ પ્રમાણમાં ઊર્જા પેદા થાય છે. અને સંભવતઃ યોગ્ય પરિસ્થિતિમાં ઊર્જા પોતાનું સ્વરૃપ બદલીને 'નવા કણ'નું સ્વરૃપ ધારણ કરે છે. 'હિગ્સ બોસોન' પણ આ રીતે આપણને મળ્યો છે. પ્રોટોનની અથડામણમાં પેદા થતા કણોને વૈજ્ઞાનિકો 'પૃથકરણ' કરી નવું જ્ઞાન મેળવે છે. નવાં કણોનાં સર્જન મટે, ગોળાકાર પાર્ટીકલ એસેલરેટર અને પ્રોટોન કણો વૈજ્ઞાનિકોનાં 'લાડકા' ગણાય છે.
સ્ટેનફોર્ડ લિનીયર એસેલરેટર સેન્ટર : (SLAC)
૧૯૬૨માં SLAC ની સ્થાપના થઈ હતી. તે ૪૨૬ એકર (લગભગ પોણા બે ચોરસ કી.મી.) વિસ્તારમાં છવાયેલું છે. અહીં લગભગ ૧૭૦૦ લોકો કામ કરે છે. ઈલેક્ટ્રોન/પોઝીટ્રોન બીઝ વાપરીને એટમીક ફીનીક્સ, રસાયણશાસ્ત્ર, જીવવિજ્ઞાન અને મેડિસીન ક્ષેત્રનાં સંશોધનો કરવામાં આવે છે. મુખ્યકણ પ્રેેવેસનેક બે માઈલ જેટલું લાબું છે. અહીં થયેલ સંશોધનમાં આર્મ ક્વાર્કની શોધ, પ્રોટોન અને ન્યુટ્રોનમાં કવાર્ક બંધારણ અને રાઉ લેપ્ટોનની શોધ માટે, વૈજ્ઞાનિકોને ત્રણ વાર નોબેલ પ્રાઈઝ મળ્યાં છે. ૧૯૯૧માં અહીં દુનિયાનું પ્રથમ 'વર્લ્ડ વાઈડ વેબ' (www) સરવર શરૃ થયું હતું. ૧૯૯૦નાં દાયકામાં ૨ બોસોનની લાક્ષણિકતાઓની ખોજ SLAC માં કરવામાં આવી હતી. સ્ટેનફોર્ડ સિન્ક્રોટોન રેડિપેશન લેબોરેટરીનાં રેડિપેશન રિચર્સ માટે ૨૦૦૬નું રસાયણશાસ્ત્રનું નોબેલ પ્રાઈઝ સંશોધકોને મળ્યું હતું.
હાઈપાવર માઈક્રોવેવ એમ્પલીફીકેશન ટયુબ 'કલીસ્ટ્રોન'ની શોધમાં SLAC ની મહત્ત્વની ભૂમિકા હતી. તાજેતરમાં અહીં એક્સરે લેસર વડે પરમાણુ અને રેણુઓનું વિગતવાર સંશોધન થઈ શકે છે. અહીંના અનુભવી વૈજ્ઞાનિકોએ 'લાર્જ હેડ્રોન કોલાપકર' (LHC) માં પણ સેવા આપી છે. SLAC માં આજથી ૧૫ વર્ષ પહેલાં વિજળીનું બીલ દસ લાખ ડોલર આવતું હતું. અહીં ૧૫૧ બીલ્ડીંગ છે.
ફરમીલેબ ટેવાટ્રોન :
ટેવાટ્રોન બાટીવિયાની ફરમી લેબમાં આવેલ પાર્ટીકલ એસેલરેટર છે. છેલ્લા ૨૫ વર્ષથી તેની ગણના એક પાવરફુલ એસેલરેટર તરીકે થાય છે. લાર્જ હેડ્રોન કોલાપકર (LHC) ની રચના થઈ ન હતી તે પહેલાં, ટેવાટ્રોનમાં ભારે પ્રોટોનને રેકોર્ડ એનર્જી લેવલે લાવ્યું હતું. ૨૦૦૯માં LHC એ આ રેકોર્ડ તોડયો હતો. ૩૦ સપ્ટેમ્બર ૨૦૧૧માં ફરમી લેબનાં ટેવાટ્રોનને કાયમ માટે બંધ કરી દેવામાં આવ્યું હતું. ફરમી લેબ 'ટોપ' કર્વાકની શોધ માટે જાણીતું છે. ફરમી લેબ શરૃઆતમાં નેશનલ એસેલરેટર લેબોરેટરી તરીકે જાણીતી હતી. ૧૯૭૪માં ખ્યાતનામ વૈજ્ઞાનિક એનરિકો ફરમીનાં બહુમાનમાં તેનું નામકરણ 'ફરમીલેબ' કરવામાં આવ્યું હતું.
બીજા વિશ્વયુદ્ધનાં સમયકાળમાં એનરીકો ફરમી ઈટલી છોડીને ન્યુયોર્ક આવી ગયા હતાં. ૩૭ વર્ષની ઉંમરે ૧૯૩૮માં તેમને ભૌતિકશાસ્ત્રનું નોબેલપ્રાઈઝ આપવામાં આવ્યું હતું. વિશ્વ તેમને વિશ્વનાં પ્રથમ પરમાણુ રિએક્ટરનાં સર્જનહાર તરીકે ઓળખે છે. તેમણે પાર્ટીકલ ફીજીકસ અને ક્વોનમ થિયરીમાં મહત્વનું યોગદાન આપ્યું છે. પ્રોટોન અને ન્યુટ્રોન ૬.૩૦ કી.મી. લાંબી વર્તુળાકાર રીંગમાં એક ટ્રીલીઅન ઈલેકટ્રોન વોલ્ટ એનર્જી લેવલ સુધી (1 TEV) લાવી શકાય છે. જેનાં ઉપરથી તેનું નામ ટેવાટ્રોન પડયું છે. દર સેકંડે ટેવાટ્રોનમાં એક કરોડ પ્રોટોન-એન્ટી પ્રોટોનની અથડામણ કરવામાં આવે છે. 'ટોપ ક્વાર્ક' ફરમી લેબની શોધ છેેે. અહીંના વૈજ્ઞાનિકોએ ૨૦૧૨માં હિગ્સ બોસોનને ૧૧૫થી ૧૩૫ GeV વચ્ચે નિહાળ્યો હોવાની જાહેરાત કરી હતી. લાર્જ હેડ્રોન કોલાપઝનાં વૈજ્ઞાનિકોએ ત્યારબાદ હિગ્સ બોસોનને આ એનર્જી લેવલ વચ્ચે શોધવાની કોશીશ કરી હતી. છેવટે 125 GeV 'માસ' લેવલે હિગ્સ બોસોનની શોધ થઈને રહી હતી.
હજારો માઈલ દૂર થતાં ભૂકંપનાં આંચકાને ફરમી લેબનાં સેન્સર પારખી શકે છે. બંધ થયું ત્યાં સુધી ૨૦ જેટલાં મહત્વના ધરતીકંપની માહિતી ફરમી લેબમાં મળી હતી.
LEP અને SPS (સર્ન-જીનીવા)
યુરોપનાં સ્વીટ્ઝરલેન્ડમાં જીનીવા નજીક યુરોપીઅન સંઘ CERN નાં પાર્ટીકલ એસેલરેટર આવેલા છે. નેવુંના દાયકામાં અહીં લાર્જ ઈલેક્ટ્રોન પોઝીટોન કોલાપકરની રચનાંકરવામાં આવી હતી. જેનો પરીઘ ૨૭ કી.મી. જેટલો હતો. પૃથ્વીની સપાટીથી ૫૦થી ૧૭૫ મીટર નીચે તેની રચનાં કરવામાં આવી હતી. ૧૯૮૯થી ૨૦૦૦ સુધી લાર્જ ઈલેક્ટ્રોન પોઝીટોન (LEP) કોલાપડર કાર્યરત રાખવામાં આવ્યું હતું. અત્યાર સુધી બાંધવામાં આવેલ લેપ્ટોન (ઈલેક્ટ્રોન અને પોઝીટ્રોન) એસેલરેટરમાં LEP સૌથી વધારે પાવરફુલ એસેલરેટર હતું. નવું લાર્જ હેડ્રોન કોલાપડરનું નિર્માણ કરવાં LEP ને શટડાઉન કરી તોડી પાડવામાં આવ્યું હતું.
LEP ની પાસે સાત કી.મી. પરીઘનું સુપર પ્રોટોન સિન્ફોટોન (SPS) પણ બાંધેલ છે. અહીં W બોસોન કણોનાં જોડકા (W+ અને W-) ની શોધ થઈ હતી. ૧૯૮૩માં ન્યુટ્રલ Z બોસોનની શોધ પણ અહીં થઈ હતી. ૧૯૬૫માં વિકફોર્સ અને ઈલેક્ટ્રો મેગ્નેટીક ફોર્સને એક સુત્રમાં બાંધવા W બોસોનની ધારણા આપવામાં આવી હતી. વિક ફોર્સ અને ઈલેક્ટ્રો-મેગ્નેટીક ફોર્સની યુનીફીકેશન થિયરીને ૧૯૭૯માં ભૌતિકશાસ્ત્રનું નોબેલ પ્રાઈઝ આપવામાં આવ્યું હતું. આ થિયરીનાં નોબેલ પ્રાઈઝ વિજેતા શેલ્ડન ગ્લાસ ગો, સ્ટીવન વેઈનબર્ગ અને અબ્દાસ સાલમ બન્યા. આ થિયરીમાં Z બોસોનની આગાહી પણ કરવામાં આવી હતી. અહીં Z બોસોનની શોધ પણ કરવામાં આવી. ૧૯૮૪માં કાર્બોરુબીયા અને સિમોન વાનકર મિરને ૧૯૮૪માં નોબેલ પ્રાઈઝ આપવામાં આવ્યું.
હાલમાં SPS ને લાર્જહેડ્રોન કોલાપડરમાં મોકલવામાં આવતાં પ્રોટોન-એન્ટીપ્રોટોનને શરૃઆતનો પ્રવેશ મેળવવા ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. થોડા સમય પહેલાં પ્રકાશ કરતાં વધારે ઝડપી કણની જાહેરાત કરવામાં આવી હતી. તેમાં SPS દ્વારા ન્યુટ્રીનનો કણને પ્રકાશથી વધારે ઝડપે CERN થી ઈટાલીઅન ઝાન સાઓ લેબોરેટરી? મોકલવામાં આવ્યા હતાં. આ પ્રયોગનું નામ 'ફાસ્ટર ધેન લાઈટ' રાખવામાં આવ્યું હતું.
લાર્જ હેડ્રોન કોલાયડર : (સર્ન-જીનીવા)
અત્યાર સુધી બાંધવામાં આવેલ પાર્ટીકલ એસેલરેટરમાં, દુનિયાનું સૌથી વધારે પાવરફુલ અને વિશાળ પાર્ટીકલ એસેલરેટરમાં 'બાર્જ હેટ્રોન કોલાયડ' LHC નંબર વન પોઝિશન ઉપર છે. દુનિયાનાં ૧૦૦ દેશો અને દસ હજાર વૈજ્ઞાનિકો-ઈજનેરોનાં સહયોગમાં LHC બાંધવામાં આવ્યું છે. અહી ટનલ બે વર્તુળાકાર માર્ગમાં પાર્ટીકલ બીમ પસાર થાય છે. ચાર નિશ્ચિત જગ્યાએ, આ કણોની અથડામણ કરવામાં આવે છે જ્યાં પાવરફુલ ડિટેક્ટર અને સેન્સર ગોઠવેલા હોય છે. જે અથડામણમાં પેદા થતાં નવા કણોની માહિતી એકઠી કરે છે. પ્રોટોન કણોને ગોળાકારમાં ફરતું રાખવા ૨૭ ટન વજનનાં ૧૨૩૨ કાપયોલ મેગ્નેટ કાર્યરત રહે છે. આ ઉપરાંત ૩૯૨ જેટલા કવાદ્રુ પોલ મેગ્નેટ પણ લાગેલા છે.
આ ચુંબકોને માઈનસ ૨૭૧૦ સે. તાપમાને રાખવા મોટે ૯૬ ટન જેટલો પ્રવાહી હિલીયમ વાયુ વાપરવામાં આવે છે. અંતરીક્ષમાં પણ ન હોય તેટલું નીચું તાપમાન પૃથ્વી પર લાર્જ ેેહેટ્રોન કોલાયડમાં પેદા કરવામાં આવે છે. દુનિયાની સૌથી નીચા તાપમાનની હાયોજેનીક કેટેલીટીમાં LHC અવ્વલ નંબરે આવે છે. ૨૭ કી.મી. માર્ગ કાપતાં પ્રોટોનને માત્ર ૯૦ માઈક્રો સેકન્ડ લાગે છે. હજી સરળ ભાષામાં વાત કરીએ તો, એક જ સેકન્ડમાં પ્રોટોન LHC માં ૧૧,૦૦૦ વાર ગોળ ચક્કર મારી લે છે. જી હા, માત્ર એક સેકન્ડમાં ૧૧,૦૦૦ વાર.
૨૦૦૮માં પ્રથમવાર LHC કાર્યરત બન્યું હતું. એપ્રિલ ૨૦૧૨થી LHC માં 8 TeV લેવલે સુધી કણોની અથડામણ સજવામાં આવે છે. ૨૦૧૮ સુધીમાં LHC ને 14 TeV લેવલ સુધી કણોને ટકરાવવાની ક્ષમતા મેળવી લેવામાં આવશે. LHC ને ખાસ 'હિગ્સ બોસોન'ની શોધ અને અન્ય હેતુ માટે બાંધવામાં આવ્યું હતું. ૪ જુલાઈ ૨૦૧૩માં 'હિગ્સ બોસોન'ની શોધની જાહેરાત કરીને CERN અને LHC વિશ્વમાં મીડીયામાં છવાઈ ગયું હતું. 'હિગ્સ બોસોન'ની આગાહી કરવા માટે બ્રિટનનાં સર પિટર હિગ્સને ૨૦૧૩નું નોબોલ પ્રાઈઝ પણ એનાયત કરવામાં આવ્યું હતું.
ટાઈમ લાઈન : પાર્ટીકલ ઈન્વેન્શન
* ઈ.સ. પૂર્વે ૪૪૨ : ડેમોક્રીટસે ધારણા આપી કે પદાર્થ અવિભાજ્ય કણ (પરમાણુ)નો બનેલો છે.
* ૧૮૦૩ : જ્હોન ડાલ્ટને 'એટમ થિયરી' આપી.
* ૧૮૯૬ : વિલ્હેમ હોન્ટજને X-Rayની શોધ કરી.
* ૧૮૯૭ : જે. જે. થોમસને ઈલેક્ટ્રોનની શોધ કરી.
* ૧૮૯૯ : અર્નસ્ટ રૃથરફોર્ડ આલ્ફા પાર્ટીકલની શોધ કરી. જે છેવટે હીલીયમનાં નાભી કેન્દ્ર હોવાનું સાબીત થયું.
* ૧૯૦૦ : પોલ વિલાર્ડ દ્વારા ગામા-ડેરની શોધ થઈ.
* ૧૯૧૧ : અર્નેસ્ટ રૃથરફોર્ડે પરમાણુ નાથી કેન્દ્રની ઓળખ આપી.
* ૧૯૧૯ : અનર્સ્ટ રૃથરફોર્ડ પ્રોટોનની શોધ કરી.
* ૧૯૩૨ : જેમ્સ ચેડવિકે ન્યુટ્રોનની શોધ કરી.
* ૧૯૩૨ : કાર્લ એન્ડરસને પોઝીટ્રોનની શોધ કરી.
* ૧૯૩૭ : મ્યુઓનની શોધમાં શેટ નેડરમાયર, કાર્લ એન્ડરસન, જે. સી. સ્ટ્રીટ અને ઈ.સી. સ્ટીવન્સન ભાગીદાર બન્યા.
* ૧૯૪૭ : હીડેકી યુકાવાએ આગાહી કરેલ પાઈ મેશનની શોધ સી. એફ. પોવેલનાં ગુ્રપે કરી.
* ૧૯૪૭ : K મેશનની શોધ જ્યોર્જ ડિક્સન રોયેસ્ટર અને સાથીએ કરી.
* ૧૯૫૫ : ઓવેન ચેમ્બરલીન અને સાથીઓએ એન્ટી પ્રોટોનની શોધ કરી.
* ૧૯૬૨ : મ્યુઓન ન્યુટ્રીનોની શોધ લિઓન લેડરમાને કરી.
* ૧૯૬૯ : ત્રણ પ્રકારનાં કવાર્કની શોધ થઈ.
* ૧૯૭૫ : માર્ટીન પર્લ દ્વારાં ટાઉની શોધ થઈ.
* ૧૯૭૭ : ફરમી લેબ દ્વારા બોટમ કર્વાકની શોધ કરવામાં આવી.
* ૧૯૭૯ : ગ્લુઓન કણોની હાજરી ઓળખી કાઢવામાં આવી.
* ૧૯૮૩ : કાર્લોરૃબીયા અને સહાયક દ્વારા W અને Z કણો શોધવામાં આવ્યા.
* ૧૯૯૫ : ટોપ કવાર્કની શોધ ફરમી લેબ દ્વારા થઈ.
* ૧૯૯૫ : એન્ટી હાઈડ્રોજનનો પરમાણું પ્રયોગશાળામાં રચવામાં આવ્યો.
* ૨૦૦૦ : ટાઉ ન્યુટ્રીનોને ફરમી લેબને જોવામાં સફળતા મળી.
* ૨૦૧૧ : એન્ટી હિલીયમ-૪નું પ્રયોગશાળામાં સર્જન કરવામાં આવ્યું.
* ૨૦૧૨ : લાર્જ હેડ્રોન કોલાયડરના વૈજ્ઞાનિકોએ 'હિગ્સ બોસોન'ની શોધ કરી.
No comments:
Post a Comment