समुद्रको अढाई किलोमिटर गहिराइमा टेलिस्कोप राखेर आइन्स्टाइनको सापेक्षतावाद परीक्षण: के के भेटियो?

काठमाडौं ।

आइन्स्टाइनको सापेक्षतावादका आधारभूत मान्यतामध्ये एउटा गलत हुन सक्ने सम्भावना खोज्न वैज्ञानिकहरूले समुद्रको पिँधमा टेलिस्कोप पुर्‍याएका छन्।

फ्रान्सको तटबाट करिब २.४ किलोमिटर गहिराइमा राखिएको यो उपकरणले अहिलेसम्म सापेक्षतावादको सिद्धान्तमा कुनै त्रुटि फेला पारेको छैन। तर, अपेक्षाकृत सानो आकारको उपकरणबाट प्राप्त नतिजा भने विश्वका ठूला वैज्ञानिक प्रयोगशालाका अनुसन्धानसँग प्रतिस्पर्धा गर्न सक्ने देखिएको छ।

भूमध्यसागरको पिँधमा राखिएको उक्त उपकरणलाई ‘ओआरसीए’ भनिन्छ। यसको पूरा नाम ‘असिलेशन रिसर्च विद कस्मिक्स इन द एबिस’ हो। यो समुद्रको पानीभित्रबाट आउने प्रकाश मात्र हेर्ने सामान्य टेलिस्कोप होइन। यसले ब्रह्माण्डमा अत्यन्तै धेरै संख्यामा रहेका तर पत्ता लगाउन कठिन न्युट्रिनो नामका सूक्ष्म कणको अध्ययन गर्छ।

यही न्युट्रिनोको सहायताले वैज्ञानिकहरूले भौतिकशास्त्रको एउटा आधारभूत मान्यता परीक्षण गरेका हुन्। अनुसन्धानको नतिजा नोभेम्बर ४ मा जर्नल अफ कस्मोलोजी एण्ड एस्ट्रोपार्टिकल फिजिक्समा प्रकाशित भएको छ।

आइन्स्टाइनको सिद्धान्तमा के खोजिरहेका थिए वैज्ञानिक?

लाइभसाइन्सका अनुसार भौतिकशास्त्रका दुई प्रमुख आधार सामान्य सापेक्षतावाद र कण भौतिकशास्त्रको मानक नमुना (स्ट्यान्डर्ड मोडल) हुन्। सामान्य सापेक्षतावादले गुरुत्वाकर्षण र ब्रह्माण्डका ठूला संरचनाको व्याख्या गर्छ भने स्ट्यान्डर्ड मोडलले परमाणुभन्दा पनि सूक्ष्म कणहरूको व्यवहार बुझाउँछ।

यी दुवै सिद्धान्तले एउटा साझा मान्यता स्वीकार गर्छन्, जसलाई ‘लोरेन्ट्ज इनभेरियन्स’भनिन्छ।

यसको सामान्य अर्थ प्रकृतिका नियम तपाईं कुन दिशामा फर्किनुभएको छ वा कति गतिमा अघि बढिरहनुभएको छ भन्ने आधारमा बदलिँदैन भन्ने हो। अर्थात्, प्रकृतिका आधारभूत नियम सबै पर्यवेक्षकका लागि समान रहन्छन्।

तर वैज्ञानिकहरूलाई ब्रह्माण्डको सुरुवाती अवस्था, विशेषगरी बिग ब्याङपछि पहिलो क्षणमा भएका घटनाको व्याख्या गर्दा यी दुई सिद्धान्तबीच केही असंगति देखिन्छ। त्यसैले सामान्य सापेक्षतावाद र क्वान्टम भौतिकशास्त्रलाई एउटै सिद्धान्तमा जोड्ने प्रयास दशकौँदेखि जारी छ।

स्ट्रिङ थ्योरी र लुप क्वान्टम ग्राभिटी जस्ता केही सैद्धान्तिक अवधारणाले अन्तरिक्ष–समय (स्पेसटाइम) अत्यन्तै सूक्ष्म तहमा निरन्तर नभई दानादार संरचनामा हुन सक्ने सम्भावना औँल्याउँछन्। यस्तो अवस्थामा लोरेन्ट्ज इनभेरियन्स पनि पूर्ण रूपमा सही नहुन सक्छ।

यही सम्भावनाको कुनै संकेत भेटिन्छ कि भनेर वैज्ञानिकहरूले न्युट्रिनोको अध्ययन गरेका हुन्।

न्युट्रिनो : पृथ्वी छेडेर पार गर्न सक्ने रहस्यमय कण

वैज्ञानिकहरूले लोरेन्ट्ज इनभेरियन्समा सम्भावित त्रुटि खोज्न न्युट्रिनोलाई रोज्नुको विशेष कारण छ। न्युट्रिनो विद्युतीय आवेश नभएका र अत्यन्तै कम द्रव्यमान भएका सूक्ष्म कण हुन्। यिनीहरू हरेक सेकेन्ड ठूलो संख्यामा पृथ्वी हुँदै पार भइरहेका हुन्छन्। तर अन्य पदार्थसँग निकै कम अन्तरक्रिया गर्ने भएकाले यिनलाई पत्ता लगाउन कठिन हुन्छ।

न्युट्रिनो मुख्यतः तीन प्रकारका हुन्छन्– इलेक्ट्रोन, म्युओन र टाउ। यी कण यात्रा गर्ने क्रममा एउटा प्रकारबाट अर्को प्रकारमा परिवर्तन भइरहन्छन्। यस प्रक्रियालाई वैज्ञानिक भाषामा ‘न्युट्रिनो असिलेसन’ भनिन्छ।

वैज्ञानिकहरूका अनुसार लोरेन्ट्ज इनभेरियन्समा कुनै त्रुटि भए न्युट्रिनोको यस्तो परिवर्तन हुने ढाँचामा फरक देखिन सक्छ। अझ न्युट्रिनोले जति लामो दूरी पार गर्छन्, त्यस्तो प्रभाव देखिने सम्भावना पनि त्यति नै बढ्छ।

त्यसैले अनुसन्धानकर्ताहरूले पृथ्वीको वायुमण्डलमा अन्तरिक्षबाट आएका कणहरू ठोक्किँदा उत्पन्न हुने न्युट्रिनोको अध्ययन गरे। तीमध्ये केही न्युट्रिनोले पृथ्वीको एक छेउबाट अर्को छेउसम्म करिब १२ हजार ७०० किलोमिटर यात्रा गरेर समुद्रको पिँधमा रहेको उपकरणसम्म आइपुगेका थिए।

टेलिस्कोपले समुद्रको पिँधमा कसरी काम गर्छ?

ओआरसीए, भूमध्यसागरमा निर्माण भइरहेको ठूलो न्युट्रिनो टेलिस्कोप परियोजना केएमथ्रीनेटको एउटा हिस्सा हो।

यसको काम गर्ने तरिका सामान्य अप्टिकल टेलिस्कोपभन्दा बिल्कुलै फरक छ। यसमा समुद्रको पिँधमा ठड्याइएका विशेष संरचनामा प्रकाश पत्ता लगाउने सेन्सर जडित काँचका गोला राखिएका छन्।

प्रत्येक डिटेक्सन युनिटमा १८ वटा काँचका गोला हुन्छन्। प्रत्येक गोलाभित्र ३१ वटा प्रकाश सेन्सर राखिएका छन्।

जब न्युट्रिनो पानीभित्र रहेको कुनै कणसँग ठोक्किन्छ, त्यसबाट अत्यन्तै मधुरो नीलो प्रकाश उत्पन्न हुन्छ। त्यसलाई काँचका गोलाभित्र रहेका सेन्सरहरूले टिप्छन्। सेन्सरबाट प्राप्त सूचनाका आधारमा वैज्ञानिकहरूले न्युट्रिनो आएको दिशा र त्यसको ऊर्जासमेत अनुमान गर्न सक्छन्।

यस अनुसन्धानमा पृथ्वी आफैँले फिल्टरको काम गरेको छ। वैज्ञानिकहरूले पृथ्वी हुँदै माथितिर यात्रा गरेर डिटेक्टरसम्म आइपुगेका कणलाई मात्र अध्ययनमा समावेश गरे। पृथ्वीको भित्री भाग पार गर्न नसक्ने अन्य कणहरू बाटोमै रोकिने भएकाले न्युट्रिनोको संकेत छुट्याउन सहज भयो।

यो प्रविधि अन्टार्कटिकाको बरफमुनि निर्माण गरिएको चर्चित आइसक्युब (IceCube) न्युट्रिनो डिटेक्टरभन्दा केही फरक छ। बरफले प्रकाशलाई पानीको तुलनामा बढी छरिदिने गर्छ भने पानीले प्रकाशलाई बढी अवशोषण गर्छ। यसले न्युट्रिनोको दिशा र ऊर्जा मापन गर्ने तरिकामा फरक पार्छ।

जम्मा ६ वटा युनिटबाट पनि प्रतिस्पर्धी नतिजा

अनुसन्धानकर्ताहरूले सन् २०२० देखि २०२१ सम्म करिब १७ महिनाको अवधिमा संकलन गरिएका ५ हजार ८२८ न्युट्रिनोको तथ्याङ्क विश्लेषण गरेका थिए।

अध्ययनमा न्युट्रिनोको परिवर्तन हुने ढाँचा स्थापित भौतिकशास्त्रीय मान्यतासँग मेल खाएको पाइयो। अर्थात्, आइन्स्टाइनको सापेक्षतावादको आधारभूत मान्यता उल्लङ्घन भएको कुनै प्रमाण भेटिएन।

तर यसको अर्थ वैज्ञानिकहरूले सापेक्षतावाद पूर्ण रूपमा सही भएको प्रमाणित गरिसके भन्ने होइन। बरु लोरेन्ट्ज इनभेरियन्स उल्लङ्घन भएको भए त्यसको प्रभाव उनीहरूले निर्धारण गरेको सीमाभन्दा कमजोर हुनुपर्ने अनुसन्धानको निष्कर्ष हो।

यस अध्ययनले म्युओन र टाउ न्युट्रिनोलाई फरक व्यवहार गराउने किसिमको लोरेन्ट्ज इनभेरियन्स उल्लङ्घनका सम्भावनामा पहिलो प्रत्यक्ष सीमासमेत निर्धारण गरेको छ।

अझ रोचक पक्ष के छ भने, अनुसन्धानका लागि प्रयोग गरिएको उपकरण पूर्ण क्षमतामा सञ्चालनमा आएको थिएन। त्यतिबेला समुद्रमा जम्मा ६ वटा डिटेक्सन युनिट जडान गरिएका थिए। यति थोरै युनिटबाट प्राप्त नतिजाले जापानको सुपर–कामिओकान्डे र आइसक्युबजस्ता ठूला अनुसन्धान केन्द्रले वर्षौँ लगाएर गरेका अध्ययनसँग प्रतिस्पर्धा गरेको छ।

अनुसन्धानका सहलेखक तथा भौतिकशास्त्रका विद्यावारिधि अनुसन्धानकर्ता लुकास हेनिगले जम्मा ६ वटा डिटेक्सन युनिटबाटै प्रतिस्पर्धी नतिजा प्राप्त हुनु आफूहरूका लागि आश्चर्यजनक भएको बताएका छन्।

अब अझ शक्तिशाली अनुसन्धानको तयारी

यो अनुसन्धान गरिएको समयमा ओआरसीए परियोजनाका लागि ६ वटा मात्र डिटेक्सन युनिट प्रयोग गरिएको थियो। अहिले समुद्रमा यस्ता ४४ वटा युनिट जडान भइसकेका छन्। सन् २०३० सम्ममा यो संख्या १०८ पुर्‍याउने योजना छ।

वैज्ञानिकहरूको अनुसन्धान यतिमै रोकिने छैन। अब उनीहरूले केएमथ्रीनेटकै अर्को उपकरण ‘आर्का’ (एआरसीए) प्रयोग गरेर थप अध्ययन गर्ने तयारी गरेका छन्। सिसिलीको तटबाहिर समुद्रमा राखिएको यो उपकरण विशेषगरी टाढाका ब्रह्माण्डीय स्रोतबाट आउने उच्च ऊर्जाका न्युट्रिनो पत्ता लगाउन डिजाइन गरिएको हो।

वैज्ञानिकहरूका अनुसार लोरेन्ट्ज इनभेरियन्स उल्लङ्घन भएको भए त्यसको प्रभाव लामो दूरी र उच्च ऊर्जाका न्युट्रिनोमा बढी स्पष्ट हुन सक्छ। त्यसैले टाढाका ब्रह्माण्डीय स्रोतबाट आउने न्युट्रिनोले अन्तरिक्ष–समयको वास्तविक प्रकृतिबारे थप जानकारी दिन सक्छन्।

अहिलेसम्मको अनुसन्धानले आइन्स्टाइनको सिद्धान्तमा कुनै दरार देखाएको छैन। तर समुद्रको गहिराइमा राखिएको यो टेलिस्कोपले एउटा महत्त्वपूर्ण कुरा देखाएको छ– ब्रह्माण्डका सबैभन्दा रहस्यमय कणको अध्ययन गरेर भौतिकशास्त्रका आधारभूत मान्यतालाई पहिलेभन्दा अझ सूक्ष्म रूपमा परीक्षण गर्न सकिन्छ।