Neutrino: क्या कभी प्रकाश से तेज दौड़े थे ये कण?

Neutrino: क्या कभी प्रकाश से तेज भागे थे ये रहस्यमयी कण?

Demo article: 22 सितंबर 2011 की रात भौतिक विज्ञान की दुनिया में एक ऐसी खबर आई, जिसने वैज्ञानिकों को कुछ समय के लिए हैरान कर दिया। इटली की OPERA प्रयोगशाला में काम कर रहे वैज्ञानिकों ने एक ऐसा परिणाम पाया था, जिसके अनुसार न्यूट्रीनो नाम के बेहद हल्के कण लगभग 60 नैनोसेकंड पहले CERN से निकलकर इटली पहुंच रहे थे, जितना समय प्रकाश को उसी दूरी को तय करने में लगना चाहिए। अगर यह परिणाम सही होता, तो इसका मतलब होता कि न्यूट्रीनो प्रकाश की गति से भी तेज चल सकते हैं। और यही वह बात थी जिसने पूरी दुनिया का ध्यान खींच लिया। क्योंकि आइंस्टीन के विशेष सापेक्षता सिद्धांत के अनुसार निर्वात में प्रकाश की गति, लगभग 299,792 किलोमीटर प्रति सेकंड, ब्रह्मांड की गति-सीमा से जुड़ी एक मूलभूत सीमा है।

लेकिन कहानी यहीं खत्म नहीं हुई।

दूसरे वैज्ञानिकों ने परिणाम को दोहराने की कोशिश की। बाद में OPERA टीम ने अपने उपकरणों की दोबारा जांच की और पता चला कि experiment की timing system में तकनीकी समस्या थी। खास तौर पर एक fiber-optic connection और timing calibration से जुड़ी गड़बड़ी ने neutrino के arrival time को गलत दिखाया था। बाद के measurements में न्यूट्रीनो की गति प्रकाश की गति के अनुरूप पाई गई।

यानी 2011 का “faster-than-light neutrino” परिणाम भौतिकी के नियमों को तोड़ने वाली खोज नहीं था। लेकिन इस पूरी घटना ने न्यूट्रीनो की रहस्यमयी दुनिया को दुनिया के सामने जरूर ला दिया।

Neutrino आखिर हैं क्या?

Neutrino ऐसे elementary particles हैं जो विद्युत रूप से neutral होते हैं। यानी इनमें electric charge नहीं होता। इसी वजह से वे electromagnetic force से प्रभावित नहीं होते। लेकिन इसका मतलब यह नहीं कि वे पदार्थ के साथ बिल्कुल कोई interaction नहीं करते। Neutrino मुख्य रूप से weak nuclear force के जरिए दूसरे कणों के साथ interaction कर सकते हैं। यही interaction इतना कमजोर है कि अधिकांश न्यूट्रीनो पदार्थ से बिना टकराए निकल जाते हैं। यही उनकी सबसे अजीब विशेषताओं में से एक है।

हर सेकंड असंख्य न्यूट्रीनो हमारे शरीर और पूरी पृथ्वी से होकर गुजरते रहते हैं, लेकिन उनमें से बहुत कम किसी atomic nucleus के साथ interaction करते हैं। सूर्य हर सेकंड अरबों न्यूट्रीनो भेजता है सूर्य के भीतर चलने वाली nuclear fusion reactions से लगातार न्यूट्रीनो पैदा होते हैं। पृथ्वी पर पहुंचते-पहुंचते सूर्य से आने वाले न्यूट्रीनो की संख्या लगभग 6.5 × 10¹⁰ प्रति वर्ग सेंटीमीटर प्रति सेकंड के आसपास होती है। यानी आपके शरीर के हर छोटे से क्षेत्र से भी हर सेकंड बहुत बड़ी संख्या में solar neutrinos गुजर रहे हैं फिर भी हमें उनका एहसास नहीं होता।

क्यों? क्योंकि न्यूट्रीनो और सामान्य पदार्थ के बीच interaction की संभावना बहुत कम होती है। वे आपकी त्वचा, शरीर के अंदर के tissues और यहां तक कि पूरी पृथ्वी के आर-पार भी निकल सकते हैं। यही कारण है कि न्यूट्रीनो को detect करने के लिए वैज्ञानिकों को बेहद बड़े और संवेदनशील detectors बनाने पड़ते हैं।

Neutrino की खोज का विचार कैसे आया?

न्यूट्रीनो की कहानी लगभग एक सदी पुरानी है। 1930 में ऑस्ट्रियाई भौतिकशास्त्री Wolfgang Pauli ने beta decay में ऊर्जा और momentum के हिसाब में दिखाई दे रही समस्या को समझाने के लिए एक नए, लगभग अदृश्य कण के अस्तित्व की परिकल्पना की। उस समय Pauli ने इस कण को “neutron” कहकर संबोधित किया था।

बाद में Enrico Fermi ने इस हल्के neutral particle के लिए “neutrino” नाम इस्तेमाल किया। यह नाम इतालवी भाषा में “छोटा neutral one” के अर्थ से आया और आगे चलकर यही नाम प्रचलित हो गया। ध्यान रहे, यह वही neutron नहीं है जो परमाणु के nucleus में पाया जाता है।

वह एक अलग particle है। पहली बार Neutrino को सीधे कब देखा गया? Pauli की भविष्यवाणी के लगभग 25 साल बाद, 1956 में Clyde Cowan और Frederick Reines ने nuclear reactor से निकलने वाले neutrinos को पहली बार experimentally detect किया। यह particle physics के इतिहास में बड़ी उपलब्धि थी।

भारत की भूमिका भी इस कहानी में बहुत महत्वपूर्ण है।

1965 में Kolar Gold Fields (KGF) की गहरी भूमिगत प्रयोगशाला में भारतीय और विदेशी वैज्ञानिकों के एक सहयोगी दल ने cosmic-ray interactions से पैदा होने वाले atmospheric neutrinos के संकेत detect किए। गहरी भूमिगत जगह चुनने की वजह भी दिलचस्प थी। ऊपर मौजूद चट्टानों की विशाल परत cosmic rays के अधिकांश unwanted background को कम कर देती थी। इससे वैज्ञानिकों के लिए दुर्लभ neutrino interactions को पहचानना आसान हो जाता था।

Neutrino का Mass है या नहीं?

एक समय वैज्ञानिकों को लगता था कि neutrino शायद बिल्कुल massless हो सकता है। लेकिन neutrino oscillation की खोज ने तस्वीर बदल दी। अब हमें पता है कि neutrinos में mass होता है। हालांकि उनका mass बेहद छोटा है और अभी भी यह पता लगाने की कोशिश जारी है कि तीन neutrino mass states के वास्तविक masses कितने हैं। यही neutrino physics की सबसे बड़ी पहेलियों में से एक है Neutrino के तीन प्रकार होते हैं

Neutrinos तीन known flavors में पाए जाते हैं:

• Electron neutrino
• Muon neutrino
• Tau neutrino

लेकिन कहानी यहां और अजीब हो जाती है। एक neutrino अंतरिक्ष में यात्रा करते हुए एक flavor से दूसरे flavor में बदल सकता है। इसे Neutrino Oscillation कहा जाता है।

उदाहरण के लिए सूर्य से निकलने वाला neutrino जब पृथ्वी तक पहुंचता है, तो जरूरी नहीं कि वह उसी flavor में मिले जिसमें वह सूर्य के अंदर पैदा हुआ था। यही observation इस बात का महत्वपूर्ण प्रमाण बना कि neutrinos का mass शून्य नहीं है। फिर 2011 में Neutrino प्रकाश से तेज कैसे दिखा? यही वह घटना है जिसने इस विषय को दुनिया भर में चर्चा में ला दिया।

CERN से neutrinos को लगभग 730 किलोमीटर दूर इटली की Gran Sasso laboratory में मौजूद OPERA detector की ओर भेजा गया। सितंबर 2011 में OPERA collaboration ने घोषणा की कि उनके measurements में neutrinos का arrival time प्रकाश की अपेक्षित यात्रा-समय से लगभग 60 nanoseconds कम था। यह अंतर बहुत छोटा था।

लेकिन particle physics में इतनी छोटी timing difference भी बहुत बड़ी बात हो सकती है।

अगर measurement सही होता, तो इसका अर्थ होता कि neutrino प्रकाश से तेज चला।

इसलिए वैज्ञानिकों ने दुनिया भर के दूसरे प्रयोगों से इसकी स्वतंत्र पुष्टि मांगी।

फिर सामने आई असली गलती

अगले कुछ महीनों में OPERA experiment की पूरी timing system की जांच की गई।

तब researchers को एक समस्या मिली।

एक fiber-optic cable connection में खराबी थी, जिसकी वजह से timing signal में error आ रहा था। इसके अलावा experiment की timing calibration से जुड़ी दूसरी समस्याएं भी जांच में सामने आईं।

इसके बाद OPERA और दूसरे संबंधित experiments ने measurements दोबारा किए।

नतीजे में neutrino की गति प्रकाश की गति से ज्यादा नहीं मिली।

यानी 2011 का spectacular result एक experimental error था, नई physics की खोज नहीं।

क्या Einstein गलत साबित हुए?

नहीं।

2011 की घटना ने Einstein के special relativity को खारिज नहीं किया।

असल में यह घटना वैज्ञानिक पद्धति का एक बहुत अच्छा उदाहरण बन गई।

पहले एक असामान्य measurement सामने आया।

वैज्ञानिकों ने उसे प्रकाशित किया और दूसरे researchers से स्वतंत्र जांच करने को कहा।

फिर experiment को दोबारा जांचा गया।

गलती मिली।

Measurement सुधारा गया।

और अंततः original result वापस ले लिया गया।

विज्ञान में यही सबसे महत्वपूर्ण बात है—किसी रोमांचक परिणाम को सिर्फ इसलिए सच नहीं मान लिया जाता क्योंकि वह हमारी पुरानी समझ को उलट देता है। उसे बार-बार जांचना पड़ता है।

Neutrino आज भी एक बड़ी पहेली क्यों है?

Faster-than-light वाली कहानी खत्म हो चुकी है, लेकिन neutrinos का रहस्य खत्म नहीं हुआ।

आज भी वैज्ञानिक जानना चाहते हैं:

क्या neutrino अपने antiparticle का भी रूप हो सकता है?

उनके तीन mass states के वास्तविक masses क्या हैं?

Neutrino और antineutrino के व्यवहार में कितना अंतर है?

ब्रह्मांड में matter, antimatter से ज्यादा क्यों बचा?

और neutrino के mass की पूरी संरचना Standard Model से आगे की physics के बारे में क्या बता सकती है?

इन सवालों के जवाब शायद हमें particle physics की मौजूदा समझ से भी आगे ले जाएं।

इसलिए 2011 का वह “प्रकाश से तेज न्यूट्रीनो” आज एक असफल प्रयोग के रूप में याद किया जाता है।

लेकिन उस गलती ने एक महत्वपूर्ण बात जरूर दिखाई—

कभी-कभी विज्ञान में गलत नतीजा भी उपयोगी होता है, अगर वैज्ञानिक उसे ईमानदारी से दोबारा जांचने के लिए तैयार हों।

न्यूट्रीनो आज भी लगभग अदृश्य होकर हमारे बीच से गुजर रहे हैं। हम उन्हें मुश्किल से पकड़ पाते हैं, लेकिन इन्हीं बेहद हल्के कणों में ब्रह्मांड के कुछ सबसे बड़े रहस्यों के जवाब छिपे हो सकते हैं।