जापान का हाइपर-कामिओकांडे: ब्रह्मांड के गहनतम रहस्यों को उजागर करने जा रही दुनिया की सबसे बड़ी न्यूट्रिनो वेधशाला

हाइपर-कामिओकांडे का अनावरण: न्यूट्रिनो विज्ञान का नया युग

जापान के गिफू प्रांत के हिदा क्षेत्र में पहाड़ों के गहरे नीचे एक विशाल वैज्ञानिक परियोजना आकार ले रही है। हाइपर-कामिओकांडे न्यूट्रिनो वेधशाला अपनी तरह की दुनिया की सबसे बड़ी और सबसे संवेदनशील डिटेक्टर बनने की ओर अग्रसर है। हाल ही में पहली बार इसकी विशाल भूमिगत गुफा प्रेस के लिए खोली गई। यह उपलब्धि ब्रह्मांड के कुछ सबसे गहन रहस्यों को सुलझाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है—पदार्थ की उत्पत्ति से लेकर स्वयं ब्रह्मांड के भविष्य तक।

हाइपर-कामिओकांडे (जिसे अक्सर हाइपर-K या HK कहा जाता है) में 2027–2028 में अवलोकन शुरू होने की योजना है। यह प्रसिद्ध सुपर-कामिओकांडे डिटेक्टर का उत्तराधिकारी है। 94 मीटर ऊंची और 69 मीटर व्यास वाली गुफा में बनने वाले इसके टैंक में 260,000 टन अतिशुद्ध पानी भरा जाएगा। हाइपर-कामिओकांडे अपने पूर्ववर्तियों से कहीं विशाल होगा और कण भौतिकी तथा खगोल भौतिकी की सीमाओं का उल्लेखनीय विस्तार करेगा।

न्यूट्रिनो क्या हैं और वे क्यों महत्वपूर्ण हैं?

न्यूट्रिनो ब्रह्मांड के सबसे प्रचुर, फिर भी सबसे रहस्यमय कणों में से हैं। इन्हें कभी-कभी “भूतिया कण” कहा जाता है। इन पर कोई विद्युत आवेश नहीं होता, ये बेहद छोटे होते हैं—इलेक्ट्रॉन से लगभग 100,000 गुना हल्के—और पदार्थ के साथ इतनी कम अंतःक्रिया करते हैं कि हर सेकंड खरबों न्यूट्रिनो बिना कोई निशान छोड़े आपके शरीर से गुजर जाते हैं। इतनी प्रचुरता के बावजूद, न्यूट्रिनो का पता लगाना बेहद कठिन है। इसके लिए बड़े और संवेदनशील डिटेक्टरों की जरूरत होती है, जिन्हें कॉस्मिक किरणों और अन्य पृष्ठभूमि संकेतों से बचाकर रखा जाए।

न्यूट्रिनो को समझना जरूरी है, क्योंकि उनके गुण भौतिकी के कुछ सबसे बड़े सवालों के जवाब दे सकते हैं। वे यह समझाने में मदद कर सकते हैं कि ब्रह्मांड में प्रतिपदार्थ के बजाय ज्यादातर पदार्थ क्यों है, सुपरनोवा में तारे कैसे विस्फोट करते हैं, और क्या प्रोटॉन—जो परमाणुओं के मूल निर्माण खंड हैं—वास्तव में स्थिर हैं या अकल्पनीय रूप से लंबे समय में क्षय हो सकते हैं।

हाइपर-कामिओकांडे परियोजना: विशाल पैमाने का महत्वाकांक्षी प्रयास

हाइपर-कामिओकांडे का निर्माण गिफू प्रांत के हिदा शहर के कामिओका क्षेत्र में 600 मीटर भूमिगत किया जा रहा है। स्थिर चट्टान, पहले से मौजूद खनन ढांचे और ऊपर स्थित पहाड़ से मिलने वाली प्राकृतिक ढाल के कारण इस जगह का चयन किया गया। पहाड़ कॉस्मिक किरणों और अन्य व्यवधान पैदा करने वाले कणों को रोकता है। मुख्य डिटेक्टर एक विशाल बेलनाकार टैंक होगा, जो 71 मीटर ऊंचा और 68 मीटर व्यास का है। इसकी दीवारों पर 20,000 से अधिक अति-संवेदनशील फोटोमल्टीप्लायर ट्यूब (PMT) लगाई जाएंगी, जिन्हें पानी के अणुओं के साथ न्यूट्रिनो की अंतःक्रिया से पैदा होने वाली चेरेंकोव रोशनी की क्षीण चमक पकड़ने के लिए बनाया गया है।

इसका पैमाना अभूतपूर्व है: हाइपर-कामिओकांडे में सुपर-कामिओकांडे के मुकाबले लगभग आठ गुना पानी होगा। इससे यह कहीं अधिक न्यूट्रिनो अंतःक्रियाओं का कहीं ज्यादा सटीकता से अवलोकन कर सकेगा। इस परियोजना का नेतृत्व टोक्यो विश्वविद्यालय का इंस्टीट्यूट फॉर कॉस्मिक रे रिसर्च (ICRR), हाई एनर्जी एक्सेलरेटर रिसर्च ऑर्गनाइजेशन (KEK) और 20 से अधिक देशों के 100 से ज्यादा संस्थानों के सहयोग से कर रहा है। यह वास्तव में एक वैश्विक वैज्ञानिक प्रयास है।

निर्माण के पड़ाव और चुनौतियां

कई वर्षों की योजना, भूवैज्ञानिक सर्वेक्षण और अंतरराष्ट्रीय सहयोग के बाद 2021 में मुख्य गुफा की खुदाई शुरू हुई। पहाड़ के भीतर 2 किलोमीटर तक जाने वाली प्रवेश सुरंग 2022 की शुरुआत में पूरी हुई और मुख्य गुफा का गुंबद वाला हिस्सा 2023 के आखिर में तैयार हुआ। बैरल वाला हिस्सा, जो डिटेक्टर का अधिकांश आयतन बनाता है, चरणों में खोदा जा रहा है और इसके 2024 में पूरा होने की उम्मीद है। सामग्री की बढ़ती लागत और इंजीनियरिंग संबंधी चुनौतियों के कारण अवलोकन शुरू करने का समय मूल 2027 के लक्ष्य से खिसककर 2028 हो गया है, लेकिन परियोजना अपने महत्वाकांक्षी लक्ष्यों की दिशा में आगे बढ़ रही है।

परियोजना के प्रमुख लोगों में शामिल ICRR के प्रोफेसर मासातो शिओज़ावा ने हालिया अनावरण के अवसर पर आशावाद जताया:

हम ऐसे नतीजे हासिल करना चाहते हैं जो मूलभूत कणों के बारे में हमारी समझ को बुनियादी तौर पर बदल दें।

गुफा पूरी होने के बाद इंजीनियर टैंक लगाएंगे, उस पर प्रकाश डिटेक्टर जड़ेंगे और उसे अतिशुद्ध पानी से भरेंगे। पूरी सुविधा को इस तरह बनाया गया है कि पृष्ठभूमि संकेत कम से कम हों और न्यूट्रिनो की अंतःक्रियाओं से पैदा होने वाले दुर्लभ तथा सूक्ष्म संकेतों के प्रति संवेदनशीलता अधिकतम हो।

हाइपर-कामिओकांडे न्यूट्रिनो का पता कैसे लगाएगा?

न्यूट्रिनो का पता लगाने की प्रक्रिया चेरेंकोव विकिरण नामक घटना पर निर्भर करती है। जब कभी कोई न्यूट्रिनो पानी में मौजूद इलेक्ट्रॉन या नाभिक से टकराता है, तो इससे एक आवेशित कण पैदा हो सकता है, जो पानी में प्रकाश की गति से तेज चलता है (हालांकि निर्वात में प्रकाश की गति से तेज नहीं)। इससे नीली रोशनी की हल्की, शंकु के आकार की चमक पैदा होती है—इसे चेरेंकोव विकिरण कहते हैं। टैंक की दीवारों पर लगी फोटोमल्टीप्लायर ट्यूब इसे पकड़ सकती हैं।

इन चमकों के समय और पैटर्न का विश्लेषण करके वैज्ञानिक आने वाले न्यूट्रिनो की ऊर्जा, दिशा और प्रकार (या “फ्लेवर”) का पता लगा सकते हैं। हाइपर-कामिओकांडे का विशाल आकार और उन्नत सेंसर इसे कई तरह के स्रोतों से आने वाले न्यूट्रिनो का पता लगाने में सक्षम बनाएंगे, जिनमें शामिल हैं:

• पृथ्वी के वायुमंडल से टकराने वाली कॉस्मिक किरणों से पैदा होने वाले न्यूट्रिनो
• सूर्य के केंद्र में बनने वाले सौर न्यूट्रिनो
• दूरस्थ सुपरनोवा और अन्य ब्रह्मांडीय घटनाओं से आने वाले न्यूट्रिनो
• इबाराकी प्रांत के तोकाई में 295 किलोमीटर दूर स्थित J-PARC एक्सेलरेटर से पैदा की जाने वाली कृत्रिम न्यूट्रिनो किरणें

वैज्ञानिक लक्ष्य: ब्रह्मांड के गहनतम रहस्यों की पड़ताल

हाइपर-कामिओकांडे को भौतिकी और ब्रह्मांड विज्ञान के कुछ सबसे बुनियादी सवालों की जांच के लिए बनाया गया है। इसके मुख्य वैज्ञानिक उद्देश्यों में शामिल हैं:

1. न्यूट्रिनो दोलन और CP उल्लंघन की जांच

न्यूट्रिनो तीन प्रकार के होते हैं—इलेक्ट्रॉन, म्यूऑन और टाउ—और चलते समय एक प्रकार से दूसरे प्रकार में बदल सकते हैं। इस घटना को न्यूट्रिनो दोलन कहते हैं। 1998 में सुपर-कामिओकांडे में हुई इस खोज ने साबित किया कि न्यूट्रिनो का द्रव्यमान होता है और इसके लिए 2015 का भौतिकी का नोबेल पुरस्कार दिया गया।

हाइपर-कामिओकांडे की प्रमुख प्राथमिकताओं में यह जांचना शामिल है कि क्या न्यूट्रिनो और उनके प्रतिपदार्थ समकक्ष (एंटीन्यूट्रिनो) अलग-अलग ढंग से दोलन करते हैं। इस अंतर को आवेश-समता (CP) उल्लंघन कहा जाता है। यदि न्यूट्रिनो में CP उल्लंघन की पुष्टि होती है, तो इससे यह समझाने में मदद मिल सकती है कि ब्रह्मांड में प्रतिपदार्थ से अधिक पदार्थ क्यों है—यह ब्रह्मांड विज्ञान के मूल में मौजूद एक रहस्य है।

J-PARC से भेजी गई न्यूट्रिनो और एंटीन्यूट्रिनो किरणों की तुलना करके और उनके दोलनों को अभूतपूर्व सटीकता से मापकर, हाइपर-कामिओकांडे इस सवाल का निर्णायक जवाब देने का लक्ष्य रखता है। दस वर्षों तक आंकड़े जुटाने के बाद, प्रयोग से CP उल्लंघन के संभावित मानों की एक बड़ी सीमा में “गोल्ड स्टैंडर्ड” 5-सिग्मा मापन हासिल करने की उम्मीद है।

2. प्रोटॉन क्षय की खोज: ग्रैंड यूनिफाइड सिद्धांतों की जांच

प्रोटॉन क्षय एक काल्पनिक प्रक्रिया है, जिसकी भविष्यवाणी प्रकृति के मूलभूत बलों को एकीकृत करने की कोशिश करने वाले कई सिद्धांत करते हैं। यदि प्रोटॉन क्षय हो सकते हैं, तो इसका मतलब होगा कि अत्यंत लंबे समय में पदार्थ अस्थिर है—और यह समय ब्रह्मांड की आयु से भी कहीं अधिक होगा। प्रोटॉन क्षय का पता लगने से भौतिकी के बारे में हमारी समझ में क्रांतिकारी बदलाव आएगा और यह “सर्वव्यापी सिद्धांत” की दिशा दिखा सकता है।

अपने विशाल आयतन और संवेदनशील डिटेक्टरों के कारण हाइपर-कामिओकांडे प्रोटॉन क्षय की खोज के लिए दुनिया की सर्वश्रेष्ठ प्रयोगशाला होगा। क्षय का कोई संकेत न मिलने पर भी यह प्रयोग प्रोटॉन के जीवनकाल की नई न्यूनतम सीमा तय करेगा और कई सैद्धांतिक मॉडलों पर पाबंदी लगाएगा या उन्हें खारिज कर सकेगा।

3. सुपरनोवा और अवशेष न्यूट्रिनो का अवलोकन

जब कोई विशाल तारा सुपरनोवा में विस्फोट करता है, तो वह बड़ी संख्या में न्यूट्रिनो छोड़ता है। ये विस्फोट से आने वाली रोशनी से पहले पृथ्वी तक पहुंच सकते हैं। हाइपर-कामिओकांडे हमारी आकाशगंगा के किसी सुपरनोवा से आने वाले हजारों न्यूट्रिनो का पता लगा सकेगा। इससे भारी तत्वों के निर्माण और ब्रह्मांड के विकास को आकार देने वाली प्रक्रियाओं की अनूठी झलक मिलेगी।

इसके अलावा, डिटेक्टर अतीत के सभी सुपरनोवा से आए अवशेष न्यूट्रिनो की विसरित पृष्ठभूमि की खोज करेगा। इससे तारों के निर्माण के इतिहास और ब्रह्मांड में पदार्थ के जीवन चक्र को समझने में मदद मिलेगी।

4. सौर, वायुमंडलीय और भू-न्यूट्रिनो का अध्ययन

हाइपर-कामिओकांडे सौर न्यूट्रिनो का मापन करके, सूर्य की आंतरिक प्रक्रियाओं की पड़ताल करके और तारकीय भौतिकी के मॉडलों की जांच करके अपने पूर्ववर्तियों की विरासत को आगे बढ़ाएगा। यह न्यूट्रिनो दोलन और द्रव्यमान क्रम को बेहतर ढंग से समझने के लिए वायुमंडलीय न्यूट्रिनो का भी अध्ययन करेगा।

भू-न्यूट्रिनो—यानी पृथ्वी के भीतर रेडियोधर्मी क्षय से पैदा होने वाले न्यूट्रिनो—वैज्ञानिकों को ग्रह की आंतरिक संरचना और उसमें ऊष्मा पैदा होने की प्रक्रिया की जांच में मदद करेंगे। इसका भूविज्ञान और भू-चुंबकीय क्षेत्र पर भी असर पड़ता है।

अंतरराष्ट्रीय सहयोग और तकनीकी नवाचार

हाइपर-कामिओकांडे परियोजना अंतरराष्ट्रीय वैज्ञानिक सहयोग का एक उदाहरण है। इसमें 21 देशों के 100 से अधिक संस्थानों के 560 से ज्यादा शोधकर्ता शामिल हैं। इनमें जापान, ब्रिटेन, कनाडा, इटली, मेक्सिको और अन्य देशों का बड़ा योगदान है। परियोजना का अनुमानित बजट लगभग 600 मिलियन डॉलर है, जिसका अधिकांश हिस्सा जापान सरकार दे रही है। अंतरराष्ट्रीय साझेदार भी महत्वपूर्ण सहयोग कर रहे हैं।

तकनीकी प्रगति हाइपर-कामिओकांडे की क्षमताओं का आधार है। जापानी कंपनी हमामात्सु और अन्य साझेदारों द्वारा विकसित नए फोटोमल्टीप्लायर ट्यूब पिछली पीढ़ियों के मुकाबले अधिक संवेदनशील और भरोसेमंद हैं। पृष्ठभूमि संकेत कम करने के लिए जरूरी जल शुद्धिकरण प्रणाली दुनिया की सबसे उन्नत प्रणालियों में से एक है। पैदा होने वाले विशाल आंकड़ों का विश्लेषण करने के लिए मशीन लर्निंग और कृत्रिम बुद्धिमत्ता का इस्तेमाल किया जा रहा है। मेक्सिको के टेकिनोलॉजिको दे मोंटेरे जैसे संस्थान सॉफ्टवेयर और डेटा प्रसंस्करण में विशेषज्ञता दे रहे हैं।

न्यूट्रिनो अनुसंधान में जापान की विरासत

जापान कई दशकों से न्यूट्रिनो विज्ञान में अग्रणी रहा है। 1980 के दशक में किए गए मूल कामिओकांडे प्रयोग ने पहली बार सौर न्यूट्रिनो का पता लगाया और सुपरनोवा SN1987A से आए न्यूट्रिनो का अवलोकन किया। इसके लिए मासातोशी कोशिबा को 2002 का नोबेल पुरस्कार मिला। 1990 के दशक में बने सुपर-कामिओकांडे ने न्यूट्रिनो दोलन की खोज की और इन कणों के बारे में हमारी समझ को आगे बढ़ाने में अहम भूमिका निभाई है।

T2K प्रयोग J-PARC से सुपर-कामिओकांडे तक न्यूट्रिनो किरण भेजता है। इसने न्यूट्रिनो के गुणों के महत्वपूर्ण मापन किए हैं और हाइपर-कामिओकांडे के अगली पीढ़ी के अनुसंधान की नींव रखी है। नई वेधशाला इस विरासत को आगे बढ़ाएगी, ज्ञान की सीमाओं का विस्तार करेगी और वैज्ञानिकों की भावी पीढ़ियों को प्रेरित करेगी।

वैश्विक प्रतिस्पर्धा और पूरक प्रयोग

हाइपर-कामिओकांडे न्यूट्रिनो के रहस्यों को खोलने की वैश्विक दौड़ का हिस्सा है। अन्य प्रमुख परियोजनाओं में अमेरिका का डीप अंडरग्राउंड न्यूट्रिनो एक्सपेरिमेंट (DUNE) शामिल है, जिसमें तरल आर्गन तकनीक का इस्तेमाल किया जाता है, और चीन की जियांगमेन अंडरग्राउंड न्यूट्रिनो ऑब्जर्वेटरी (JUNO)। हर प्रयोग की अपनी खास खूबियां और तरीके हैं। इनके नतीजे एक-दूसरे के पूरक होंगे, एक-दूसरे की जांच में मदद करेंगे और न्यूट्रिनो जगत की अधिक संपूर्ण तस्वीर देंगे।

नोबेल पुरस्कार विजेता और इस क्षेत्र के अग्रणी ताकाआकी काजिता ने कहा है कि ठोस वैज्ञानिक प्रगति के लिए इन प्रयोगों की पूरकता महत्वपूर्ण है। पानी पर आधारित चेरेंकोव तकनीक के आजमाए हुए तरीके और अभूतपूर्व पैमाने के मेल से हाइपर-कामिओकांडे को संवेदनशीलता और बहुमुखी प्रतिभा में बढ़त मिलती है।

आगे की राह: हाइपर-कामिओकांडे से उम्मीदें

खुदाई पूरी होने के करीब है और डिटेक्टर के हिस्सों की स्थापना जल्द शुरू होने वाली है। वैज्ञानिक समुदाय में उत्सुकता बढ़ रही है। हाइपर-कामिओकांडे के पहले आंकड़े 2027–2028 में ही मिल सकते हैं, जिससे खोज के नए युग की शुरुआत होगी।

ICRR के निदेशक मासातो शिओज़ावा ने परियोजना के उत्साह और महत्वाकांक्षा का सार इन शब्दों में बताया:

मैं ऐसे शोध नतीजे देखना चाहता हूं जो सभी को चौंका दें, इसलिए लोगों से आग्रह है कि वे परियोजना की ताजा जानकारी लेते रहें।

चाहे न्यूट्रिनो दोलन के रहस्यों का खुलासा हो, प्रोटॉन क्षय की पहली झलक मिले या सुपरनोवा की शुरुआती चेतावनी, हाइपर-कामिओकांडे परिवर्तनकारी विज्ञान की दहलीज पर खड़ा है। इसकी खोजें ब्रह्मांड और उसमें हमारी जगह के बारे में हमारी समझ को नया रूप दे सकती हैं।

संक्षेप में

• हाइपर-कामिओकांडे दुनिया की सबसे बड़ी और सबसे संवेदनशील न्यूट्रिनो वेधशाला बनने जा रही है। यह जापान के गिफू प्रांत के हिदा क्षेत्र में 600 मीटर भूमिगत स्थित है।
• इस परियोजना का लक्ष्य ब्रह्मांड से जुड़े मूलभूत सवालों के जवाब तलाशना है, जिनमें पदार्थ की उत्पत्ति, प्रोटॉन की स्थिरता और न्यूट्रिनो का व्यवहार शामिल हैं।
• मुख्य गुफा का निर्माण लगभग पूरा हो चुका है। डिटेक्टर लगाने और पहला अवलोकन 2027–2028 तक शुरू होने की उम्मीद है।
• न्यूट्रिनो की अंतःक्रियाओं से पैदा होने वाली रोशनी की हल्की चमक पकड़ने के लिए हाइपर-कामिओकांडे अतिशुद्ध पानी के विशाल टैंक और हजारों फोटोमल्टीप्लायर ट्यूबों का इस्तेमाल करेगा।
• इस प्रयोग में 20 से अधिक देशों के 100 से ज्यादा संस्थान शामिल हैं। इसमें महत्वपूर्ण तकनीकी और वैज्ञानिक नवाचार किए जा रहे हैं।
• न्यूट्रिनो अनुसंधान में जापान का नेतृत्व, जिसे दो नोबेल पुरस्कारों से मान्यता मिली है, हाइपर-कामिओकांडे के साथ जारी है। यह अन्य प्रमुख अंतरराष्ट्रीय प्रयोगों का पूरक होगा।
• वैज्ञानिक समुदाय को ऐसी बड़ी खोजों की उम्मीद है जो भौतिकी और ब्रह्मांड के बारे में हमारी समझ को बुनियादी तौर पर बदल सकती हैं।