‘देवकणा’चे दशक  ...

डॉ. अनिल लचके
सोमवार, 18 एप्रिल 2022

कव्हर स्टोरी

हिग्ज-बोसॉन हा एक विलक्षण उपकण असून त्याला बोली भाषेत ‘देवकण’ (गॉड पार्टीकल) म्हणतात. हिग्ज-बोसॉन उपकणाचा शोध लागून या वर्षीच्या जुलैमध्ये दहा वर्ष पूर्ण होत आहेत. प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन या कणांना वस्तुमान आहे. यामुळे गुरुत्वाकर्षणाच्या प्रभावाखाली त्यांना ‘वजन’ प्राप्त होते. फोटॉन, ग्लुऑनला मात्र वस्तुमान नाही. याचा अर्थ काही कणांना वजन आहे, तर काही कणांना वजन नाही.त्यामधील एक महत्त्वाचा ‘वस्तुमान-धारक’ कण म्हणजे  हिग्ज-बोसॉनचा  कण आहे. 

जागा व्यापणाऱ्या कोणत्याही गोष्टीला मराठीत वस्तुमान आणि इंग्रजीत मॅटर म्हणतात.  आपल्या नजरेला दिसणाऱ्या सर्व गोष्टी, म्हणजे मॅटर हे मूलतः अणूंनी तयार झालेलं असतं. हवेमध्ये असणारे वायू आपल्याला दिसत नसले, तरी अणू-रेणूंनी घडलेले आहेत. ग्रीक भाषेत अणूला अॅटम म्हणतात. याचा अर्थ मूलद्रव्याचा सर्वात लहान भाग किंवा अविभाज्य भाग म्हणजे अणू. सव्वाशे वर्षांपूर्वी, १८९७ साली सर जे. जे. थॉम्पसन यांनी अणूमध्ये ऋणभारित  इलेक्ट्रॉन असल्याचे सिद्ध केले, तर रुदरफोर्ड यांनी अणुगर्भात धनभारित प्रोटॉनचं  अस्तित्व दाखवून दिलं. नंतर जेम्स चॅडविक यांनी  अणुगर्भात कोणताही विद्युतभार नसलेला न्यूट्रॉनदेखील असतो, हे शोधून काढलं. काही वर्षातच  प्रोटॉन नानाविध क्वार्कनी  तयार होतो, असं  शास्त्रज्ञांच्या लक्षात आलं. वस्तुमान तयार होण्यासाठी निदान इलेक्ट्रॉन, अप-क्वार्क आणि डाऊन-क्वार्क या तीन घटकांची गरज आहे.  आता तर अणूच्या जडणघडणीत दोनशेपेक्षा जास्त उपकण आणि उप-उपकण आहेत, असं संशोधक म्हणतात. त्याला इंग्रजीत सबअॅटोमिक पार्टिकल म्हणतात. याचा अर्थ अणूचेदेखील भाग होऊ शकतात! त्यातील ‘हिग्ज-बोसॉन’ हा एक विलक्षण उपकण असून त्याला बोली भाषेत चक्क ‘देवकण’ (गॉड पार्टीकल) म्हणतात. या वर्षी हिग्ज-बोसॉन उपकणाचा शोध लागून दहा वर्ष पूर्ण होत आहेत. प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन या कणांना वस्तुमान आहे. यामुळे गुरुत्वाकर्षणाच्या प्रभावाखाली त्यांना ‘वजन’ प्राप्त होते. फोटॉन, ग्लुऑनला मात्र वस्तुमान नाही. याचा अर्थ काही कणांना वजन आहे, तर काही कणांना वजन नाही.  त्यामधील एक महत्त्वाचा ‘वस्तुमान-धारक’ कण  म्हणजे  हिग्ज-बोसॉनचा  कण आहे. 

मनामध्ये विचार येतो, हे अणू तयार झाले कसे? ते आले कोठून? शास्त्रज्ञ म्हणतात १ हजार ३८० कोटी वर्षांपूर्वी विश्व अतितप्त, अतिघन पण बिंदूवत अवस्थेत होते. त्या बिंदूचा विशिष्ट क्षणी महाविस्फोट झाला आणि त्यातून विश्व निर्मितीची प्रक्रिया सुरू झाली. त्याक्षणी काळ, वस्तुमान आणि अवकाश अस्तित्वात आले. ही विश्वोत्पत्तीची म्हणजे ‘बिग बँग’ची प्रक्रिया अजून चालूच आहे! विश्व निर्मितीच्या गूढरम्य रहस्यांचा मागोवा घ्यायचा असेल तर  प्रयोगशाळेत कृत्रिम पद्धतीने असाच एखादा ‘मिनी बिग बँग’ घडवून आणावा, असं युरोपियन अणू संशोधन संस्थेच्या (म्हणजे सीईआरएन, ‘सर्न’च्या) काही संशोधकांना वाटू लागलं. या शतकात अशा तऱ्हेचं अतिखर्चिक संशोधन करणं आव्हानात्मक आहे. यासाठी शंभर देशांचे  सुमारे हजारो संशोधक आणि तंत्रज्ञ एकत्र आले. त्यातील अॅटलास आणि सीएमएस (कॉम्पॅक्ट म्युऑन सॉलिनॉईड) या दोन प्रयोगशाळेत सुमारे सहा हजार संशोधक कार्यरत होते. त्यात दोनशे भारतीय संशोधक होते. अशा रीतीने भौतिकशास्त्रातील अनेक प्रयोग सुरू झाले. ‘वर्क फ्रॉम होम’पद्धती प्रमाणे काही संशोधकांनी आपापल्या देशात राहून नेमून दिलेलं  काम केलं. भारतानंदेखील या प्रकल्पाला भरपूर निधी उपलब्ध करून दिला होता.

अतिविशाल प्रयोगशाळा   
उप अणुकण शोधण्यासाठी लार्ज हायड्रॉन कोलायडर (एलएचसी) नावाची भव्य यंत्रणा उभारणं गरजेचं होतं. हायड्रॉन म्हणजे क्वार्कमुळे घडलेला कण. कोलायडर म्हणजे प्रवेगक.  याकरिता मिनी बिग बँगसारखी स्थिती तयार करण्यासाठी प्रोटॉन सारखे विद्युतभारित कण अतिद्रुतगतीने अणूंवर आदळवून त्याचे तुकडे करावे लागतात. प्रयोग करायच्यावेळी एलएचसीमध्ये दहा लाख प्रोटॉन सज्ज ठेवलेले असतात. त्यांना विशिष्ट क्षणी शक्तिशाली विद्युत चुंबकीय क्षेत्राच्या साह्याने प्रचंड वेग दिला जातो. याला पार्टिकल ॲक्सिलेटर असेदेखील म्हणतात. क्रिकेटमध्ये वेगवान गोलंदाज लांब ‘स्टार्ट’ घेऊन पळत येतात आणि गोलंदाजी करतात. तशाच पद्धतीने अणूच्या किंवा प्रोटॉनच्या ठिकऱ्या  उडवणारे प्रोटॉनचेच कण प्रचंड वेगाने पण विरुद्ध दिशेने यावेत म्हणून एलएचसी प्रयोगशाळेची लांबी २७ किलोमीटर ठेवलेली आहे. हा एक गोलसर बोगदाच  आहे म्हणा ना! दोन्ही विरुद्ध बाजूंनी सुटणाऱ्या या अणू कणांना जवळ जवळ प्रकाशाचा वेग प्राप्त होतो.  तरीही टक्कर परिणामकारक व्हावी म्हणून ७ टिईव्ही (७०० अब्ज इलेक्ट्रॉन व्होल्ट) एवढी प्रचंड ऊर्जा वापरली गेली होती. कारण प्रोटॉनला  प्रकाशाइतका वेग देणं खूप  अवघड आहे. मुख्य प्रयोग १४ टीईव्हीचा होता. तो २०१२मध्ये केला गेला. प्रोटॉनला जोरदार धडक देण्यासाठी त्वरण-यंत्रात ९८०० अतिसंवाहक चुंबक उणे २७१ अंश सेल्सिअस या परमशीत तापमानावर कार्यान्वित ठेवावे लागतात. एका चुंबकाने जरी कार्य नीट केले नाही तर संपूर्ण प्रयोग वाया जातो. या प्रयोगाच्या दोन वर्षे आधी, ३० मार्च २०१० या दिवशी दुपारी १ वाजून २२ मिनिटांनी हिग्ज-बोसॉन कण अस्तित्वात असल्याचा प्राथमिक पुरावा मिळाला होता.        

अल्बर्ट आइन्स्टाईन यांच्या सिद्धांतानुसार ऊर्जेचे वस्तुमानात रूपांतर होते. प्रोटॉन कणांची टक्कर झाल्यावर उप-अणू कणांच्या ठिकऱ्या उडतात. त्या क्षणाचे वैज्ञानिक विश्लेषण करण्यासाठी करण्यासाठी संवेदक आणि संगणक सज्ज असतात. ही यंत्रणा जी माहिती पुरवेल त्याचा आधार घेऊन फक्त सृष्टीचेच नव्हे तर विश्वनिर्मितीच्या गूढ-रहस्य उलगडण्याला मदत मिळेल. ही विशाल प्रयोगशाळा स्वित्झर्लंड (जिनिव्हा) आणि फ्रान्स देशांच्या सरहद्दीवर उभारली गेली आहे. ती जमिनीच्या खाली  ५० ते १७५ मीटर खोलीवर आहे. सर्व बाजूंनी जमिनीचे आवरण असल्यामुळे वैश्विक किरणांच्या संभाव्य  उपद्रवापासून  मॅग्नेट, डिटेक्टर, बीम लाईन्स आणि इतर बरीच उपकरणे  सुरक्षित राहतात.  

हिग्ज फिल्ड
बिग बँगनंतर ताबडतोब कोणत्याही कणाला वस्तुमान नव्हतं! त्यामुळे वजनाचा प्रश्नच नव्हता. ब्रह्मांडाचे तापमान काहीसे कमी झाल्यावर संपूर्ण विश्वामध्ये शक्तीचे फिल्ड तयार होत गेले. पीटर हिग्ज यांच्या सन्मानार्थ त्याला ‘हिग्ज फिल्ड’ असे नाव देण्यात आलं. त्यामधील शक्ती कणांना ‘हिग्ज बोसॉन’ म्हणतात. हे कण ‘विश्व-विशाल’ एवढ्या मोठ्या पण अदृश्य क्षेत्राशी जोडलेले आहेत. विश्व जिथे ‘मोकळे’ आहे, असे वाटते, तेथेही हिग्ज-बोसॉनचे कण आहेत. ते नसते तर वस्तुमान पण अस्तित्वात आलं नसतं. याचा अर्थ विश्व, सृष्टी किंवा आपण स्वतः तयार झालोच नसतो! स्वतः पीटर हिग्ज कट्टर नास्तिक आहेत. त्यामुळे हिग्ज बोसॉन कणांना गॉड पार्टिकल्स  किंवा देवकण म्हणणे फारसे रुचत नाही! हिग्ज सिद्धांतानुसार जेव्हा एखादा कण हिग्ज फिल्डच्या प्रभावाखाली येतो तेव्हा त्याला वस्तुमान (‘वजन’) प्राप्त होते. जो कण सर्वात जास्त प्रभावाखाली येतो, त्याचे वस्तुमानदेखील वाढते. 

पीटर हिग्ज आणि बेल्जियमचे  फ्रॅन्कॉइस इंग्लर्ट, रॉबर्ट बाऊट यांनी १९६४मध्ये वस्तुमान प्राप्त करून देईल, अशा कणाच्या  गुणधर्मांचे विवेचन केले होते. अर्थात ते कागदोपत्री सैद्धांतिक पातळीवर केले होते. सर्न येथील एलएचसी यंत्रणेत २०१२ साली केलेल्या प्रयोगांमधील निष्कर्षांमुळे हिग्ज आणि इंग्लर्ट यांच्या अभ्यासपूर्ण भाकिताला वस्तुमान आणि ‘वजन’ प्राप्त झाले असं म्हणायला हरकत नाही. कारण पुढच्याच वर्षी, २०१३ मध्ये पीटर हिग्ज आणि  फ्रॅन्कॉइस इंग्लर्ट  या दोघांना नोबेल पारितोषिक मिळाले. हा सन्मान मरणोत्तर मिळत नसल्यामुळे रॉबर्ट बाऊट नोबल मानकरी होऊ शकले नाहीत. 

सैद्धांतिक भौतिकीशास्त्रानुसार आपल्याला जेवढे तारे, नक्षत्रे आणि आकाशगंगा ज्ञात आहेत, त्यापेक्षा किती तरी जास्त वस्तुमान आणि ऊर्जा ‘न दिसणाऱ्या’ अवकाशात आहेत. एलएचसीच्या  निरीक्षणातून हे अज्ञात वस्तुमान आणि अज्ञात ऊर्जा (डार्क मॅटर आणि डार्क एनर्जी) यावर ‘प्रकाश’ पडेल! विश्वाचे सध्याचे जे मॉडेल आहे, त्यानुसार विश्वातील केवळ २० टक्के वस्तुमानाचा विचार करू शकतो. आपल्याला कोणत्याही गोष्टीचे आकलन लांबी, रुंदी आणि जाडी या त्रिमितींमुळे  किंवा डायमेन्शनमुळे होते. या खेरीज काही विलक्षण मितींचा वेध घेता येईल. विश्वजन्माचा क्षण आणि बोसॉनचा  कण यांच्यातील संबंध लक्षात येईल. प्रोटॉन खरंच क्वार्क आणि ग्लुऑन मुळे  घडले आहेत का? न्यूट्रिनोला वस्तुमान आहे का? अशा काही अतर्क्य-गूढ गोष्टी कळतील. ‘सायन्स’ या अव्वल  दर्जाच्या ७ एप्रिल २०२२च्या वैज्ञानिक नियतकालिकात प्रा. आशुतोष कोतवाल यांनी डब्ल्यू-बोसॉनचे जास्तीत जास्त अचूक वस्तुमान शोधून काढल्याचे प्रसिद्ध झाले आहे. परम सूक्ष्म असलेल्या अणूचे अंतरंग अधिकाधिक गहिरे होत चालले आहेत. साहजिकच लार्ज हायड्रॉन कोलायडरचे कार्य या पुढेही चालू राहणार आहे. 

बोसॉनचा कण 
इंग्लंडमधील  पीटर हिग्ज यांनी १९६४मध्ये त्यांच्या संशोधनावरती आधारित असलेल्या कल्पना सादर करून त्यात बोसॉनसारख्या उपकणाचे  भाकीत केले होते. या कणाला वस्तुमान आहे. हा कण प्रोटॉनपेक्षा १०० ते २०० पट अधिक वस्तुमान असलेला आहे. तो नाममात्र किंवा क्षणभंगुर आहे. तो निर्माण होता क्षणी ऱ्हास पावतो आणि  आपले वस्तुमान विखरून टाकतो. 

मूलकणांच्या  सर्वच  समूहांना एकाच  प्रकारचे संख्याशास्त्रीय नियम लावता येत नाहीत. प्रोटॉन, न्यूट्रॉन, क्वार्क आणि लेप्टॉन्स यांचे परिवलन (स्पिन) एक व्दितीयांश आहे; म्हणजे अपूर्णांकात आहे. त्यांना ‘फर्मिऑन्स’ म्हणतात. मात्र फोटॉन, डब्ल्यू, झेड वगैरे मूलकणांचे परिवलन एक, किंवा पूर्णांकात आहे. ज्या मूलकणांचे परिवलन ०,१,२ ... आदी पूर्णांकात दर्शवता येते, त्या कणांना ‘बोसॉन’ म्हणतात. हे कण बोस-आइन्स्टाईन स्टॅटिस्टिक्स प्रमाणे गुणधर्म दाखवतात. हा कण मिळावा म्हणून शास्त्रज्ञ दीर्घकाळ प्रयत्न करत होते. मात्र फॅबिओला जियानोत्ती  आणि ग्युडो टॉवेल यांना १३ डिसेंबर  २०११ रोजी  हिग्ज-बोसॉन कणाचा  सुगावा लागला होता.

सत्येंद्रनाथ बोस 
सत्येंद्रनाथ बोस नावाच्या एका बंगाली तरुणाने २४ जून १९२४ रोजी अल्बर्ट आइन्स्टाईन यांच्याकडे एक शोधनिबंध पाठवला होता. आइन्स्टाईन यांनी त्यात सुधारणा करून शोधनिबंधाचे भाषांतर जर्मन भाषेत केले. तो शोधनिबंध जगभर गाजला. त्यात मॅक्स प्लॅंकचा नियम विशद करण्यासाठी एक सांख्यिकीय पद्धत विकसित केली होती. कृष्णवर्ण वस्तूपासून उत्सर्जित होणाऱ्या ऊर्जेसंबंधीचा सिद्धांत मॅक्स प्लॅन्क  यांनी मांडलेला होता. फोटॉन, इलेक्ट्रॉन आदी अणू उपकणांना सांख्यिकीय तंत्र-नियम लावण्याचे युरोपियन शास्त्रज्ञांचे प्रयत्न दोन दशके वर्षे सफल होत नव्हते. ते कार्य बोस यांनी बुद्धिचापल्याच्या जोरावर करून दाखवले. फोटॉनच्या  पुंज-सांख्यिकीचा भक्कम पाया बोस यांनी रचला. बोसांनी पदार्थाच्या पाचव्या स्थित्यंतराचे  भाकीत पाऊणशे वर्षे आधीच केले होते. ते ‘बोस-आइन्स्टाइन कंडेन्सेट’ म्हणून प्रसिद्ध आहे. सत्येंद्रनाथ बोस नोबेल मानकरी झाले नाहीत, पण ‘बोसॉन’ या ‘गॉड पार्टीकल’मुळे ते अजरामर झाले आहेत.

पुढे काय?
भौतिकीशास्त्राची ‘पार्टिकल फिजिक्स’ ही महत्त्वाची शाखा आहे. अणूच्या अनेक उप-उपकणांचे संशोधन लार्ज हायड्रॉन कोलायडरमुळे करता येईल. महाविस्फोटाच्यावेळी काय स्थिती होती? विश्व हे आता आहे तसेच आहे का? प्रोटॉन खरंच क्वार्क आणि ग्लुऑनमुळे परिबद्ध  होतो का? खरं तर या पुढे ‘एलएचसी’कडून अजून खूप मोठ्या गूढरम्य शोधांची अपेक्षा आहे.  

संबंधित बातम्या