ചെറിയ ക്ലാസുകളില്‍ ആറ്റത്തിനെ മുറിക്കാനാവില്ല എന്ന് നിങ്ങള്‍ പഠിച്ചിട്ടുണ്ടാകും. പിന്നീട് ആറ്റത്തിന്റെ നടുക്കൊരു ന്യൂക്ലിയസ് ഉണ്ടെന്നും അതിനെചുറ്റി സഞ്ചരിക്കുന്ന ഇലക്‌ട്രോണുകളുണ്ടെന്നും മനസ്സിലാക്കിയിരിക്കും. ഇലക്‌ട്രോണിന്റെ ചാര്‍ജ് നെഗറ്റീവാണ്. ആറ്റത്തിന്റെ ന്യൂക്ലിയസില്‍ രണ്ടുതരം കണികകളുണ്ട്. പോസിറ്റീവ് ചാര്‍ജുള്ള പ്രോട്ടോണും ചാര്‍ജില്ലാത്ത ന്യൂട്രോണും. പ്രോട്ടോണിന്റെയും ഇലക്‌ട്രോണിന്റെയും ചാര്‍ജ് തുല്യവും വിപരീതവും ആണ് എന്ന് നിങ്ങള്‍ക്കറിയാമല്ലൊ. അതിനാലാണ് ആറ്റം നിര്‍വീര്യം (ചാര്‍ജ് ഇല്ലാത്തത്) ആവുന്നത്.
ഇനിയൊരു ചോദ്യം ചോദിക്കട്ടെ. എങ്ങനെയാണ് ആറ്റം നിര്‍വീര്യമാകുന്നത്? അത് മനസ്സിലാക്കാന്‍ ധാരാളം പരീക്ഷണങ്ങള്‍ നടത്താം. നമുക്കുതന്നെ ഒന്ന് ചെയ്തുനോക്കാവുന്നതേയുള്ളൂ. ഇതൊരു ചിന്താപരീക്ഷണമാണ്. അതിനായി കുറച്ചു രസതന്ത്രം അറിയണം.

അവൊഗാഡ്രോ സംഖ്യയും നമ്മുടെ ഭാരവും


ഒരു മോള്‍ പദാര്‍ത്ഥത്തില്‍ അവൊഗാഡ്രോ സംഖ്യയ്ക്ക് തുല്യമായ തന്മാത്രകള്‍ ഉണ്ടെന്നറിയാമല്ലൊ. അവൊഗാഡ്രോ സംഖ്യ എന്നാല്‍ 6.022ഃ1023 ആണ്: 6 എഴുതിയശേഷം 23 പൂജ്യം (ഏകദേശം). വളരെ വലിയ സംഖ്യയാണത്. എങ്ങനെയാണ് ഇത്രയും വലിയ ഒരു സംഖ്യയെ മനസ്സിലാക്കുക? എങ്ങനെയാണ് ഈ സംഖ്യ കണ്ടെത്തിയത്? അത് വേറൊരു കഥയാണ്. (അവൊഗാഡ്രോ സംഖ്യയെക്കുറിച്ചറിയാന്‍ ശാസ്ത്രകേരളം 2016 ഒക്‌ടോബര്‍ ലക്കം കാണുക.)
നമ്മുടെ ശരീരത്തില്‍ ഭൂരിഭാഗവും വെള്ളമാണല്ലൊ. വെള്ളത്തിന്റെ രാസനാമം എല്ലാവര്‍ക്കും അറിയാം. രണ്ടു ഹൈഡ്രജനും ഒരു ഓക്‌സിജനും ചേരുന്നതാണ് വെള്ളം. വെള്ളത്തിന്റെ ഒരു തന്മാത്രയുടെ ഭാരം 18 ആണ്. (രണ്ടു ഹൈഡ്രജന് രണ്ടും ഒരു ഓക്‌സിജന് 16 ഉം.) അതായത് 18 ഗ്രാം വെള്ളത്തില്‍ അവൊഗാഡ്രോ സംഖ്യയ്ക്ക് തുല്യമായ തന്മാത്രകള്‍ ഉണ്ട്. കണക്ക് കൂട്ടാനുള്ള എളുപ്പത്തിനുവേണ്ടി നമുക്കിത് 20 ഗ്രാം എന്ന് എടുക്കാം.
ഇനി ഒരാളുടെ ഭാരം 66 കി.ഗ്രാം. ഉണ്ടെന്നുകരുതിയാല്‍ അയാളുടെ ശരീരത്തില്‍ ഏകദേശം 40 കി.ഗ്രാം. ജലം ഉണ്ടായിരിക്കും. അതായത് 2000 ഇരുപത് ഗ്രാം വീതമുള്ള ജലം അയാളുടെ ശരീരത്തില്‍ ഉണ്ടെന്നു കണക്കാക്കാം. ഓരോ ഇരുപത് ഗ്രാമിലും അവൊഗാഡ്രോ സംഖ്യയോളം തന്മാത്രകള്‍ ഉണ്ട്. അപ്പോള്‍ മൊത്തം 2000 അവൊഗാഡ്രോ സംഖ്യയ്ക്ക് തുല്യമായ ജലതന്മാത്രകള്‍ അയാളുടെ ശരീരത്തില്‍ ഉണ്ട്. ഏതാണ്ട്, ഒന്നിന് വലത്ത് 27 പൂജ്യങ്ങള്‍ ഇട്ടാല്‍ ആകെയുള്ള ജലകണികകളുടെ എണ്ണം കിട്ടും. ഒരു ജലതന്മാത്രയിലെ രണ്ടു ഹൈഡ്രജനിലും ഒരു ഓക്‌സിജനിലും കൂടി ആകെ 10 ഇലക്‌ട്രോണുകള്‍ ഉണ്ടാവും. അപ്പോള്‍ ആകെ 1 ന് ശേഷം 28 പൂജ്യങ്ങളിടുന്നത്ര (1028) ഇലക്‌ട്രോണുകള്‍ നമ്മുടെ ശരീരത്തില്‍ ഉണ്ട്. അത്രതന്നെ പ്രോട്ടോണുകളും.
ഇനി ഇവയുടെ ചാര്‍ജുകള്‍ തുല്യമല്ല എന്ന് കരുതുക. എന്ത് സംഭവിക്കും? ആ ചാര്‍ജിന്റെ വ്യത്യാസത്തിന്റെ അളവിനെ 1028 കൊണ്ട് ഗുണിക്കുക. ചാര്‍ജിന്റെ ഈ വ്യത്യാസം വളരെ ചെറുതാണെങ്കിലും, മൊത്തം 1028 ഇലക്‌ട്രോണ്‍/പ്രോട്ടോണ്‍ ശരീരത്തില്‍ ഉള്ളതിനാല്‍ ചാര്‍ജിന്റെ വ്യത്യാസം വളരെ വലുതായിരിക്കും. അതുകൊണ്ടുതന്നെ ഈ ചാര്‍ജിന്റെ വ്യത്യാസം ഉണ്ടാക്കുന്ന വികര്‍ഷണബലംമൂലം, അടുത്തുവരാന്‍ ശ്രമിക്കുന്ന ആളുകള്‍ കാന്തത്തിന്റെ ഒരേ ധ്രുവങ്ങള്‍ പരസ്പരം വികര്‍ഷിക്കുന്നതുപോലെ അകന്നുമാറിക്കൊണ്ടിരിക്കും. മാത്രവുമല്ല, ചാര്‍ജിലുള്ള ഈ വ്യത്യാസം എല്ലാ വസ്തുക്കളിലും ഉണ്ടായിരിക്കും.
അതിനാല്‍ ഒരു സാധാരണ ദിവസത്തെക്കുറിച്ച് ഒന്നാലോചിക്കൂ. ഇങ്ങനെ ചാര്‍ജിന്റെ അളവിലുണ്ടാകുന്ന വ്യത്യാസം നിമിത്തം കസേര നിങ്ങളില്‍നിന്ന് അകന്നുമാറും, പന്ത് കളിക്കാമെന്നു വെച്ചാല്‍ പന്ത് തെന്നിമാറും, ഭക്ഷണം ദൂരേക്ക്‌നീങ്ങും. മൊത്തത്തില്‍ ബഹുരസമായിരിക്കും! അതുകൊണ്ടുകൂടിയാണ് നാം പ്രോട്ടോണിനും ഇലക്‌ട്രോണിനും തുല്യമായ ചാര്‍ജാണെന്നു പറയുന്നത്. ഈ ചാര്‍ജ് എത്രയാണെന്ന് അറിയാമോ? വളരെ ചെറിയ അളവാണിത്, 1.6 x 10-19 കൂളമ്പ്. എങ്ങനെയാണ് ഇത്രയും ചെറിയ ചാര്‍ജുള്ള വസ്തുക്കളെ കണ്ടെത്തുക? എന്തിനാണ് നമ്മളവയെ കണ്ടെത്തുന്നത്?

മ്യൂഓണ്‍
ഇലക്‌ട്രോണ്‍ ലെപ്‌റ്റോണ്‍ കുടുംബത്തിലെ ഒരു അംഗമാണ്. അതുപോലെ ലെപ്‌റ്റോണ്‍ കുടുംബത്തിലെ മറ്റൊരു അംഗമാണ് മ്യൂഓണ്‍. ഇലക്‌ട്രോണിനേക്കാള്‍ 200 മടങ്ങ് ഭാരം കൂടിയ ഒരു നെഗറ്റീവ് ചാര്‍ജുള്ള കണമാണ് മ്യൂഓണ്‍. സൗരയൂഥത്തിന് പുറത്തുനിന്നും എത്തിയ കോസ്മിക് വികിരണങ്ങള്‍ ഭൂമിയില്‍ നടത്തിയ ചില പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനങ്ങളിലൂടെയാണ് ഇതിനെ കണ്ടെത്തിയത്.
കോസ്മിക് വികിരണങ്ങള്‍
ബാഹ്യാകാശത്തുനിന്നുമെത്തുന്ന ഉന്നതഊര്‍ജമുള്ള കണികകളുടെ പ്രവാഹമാണ് കോസ്മിക് വികിരണങ്ങള്‍. ഇതിന്റെ ഏതാണ്ട് തൊണ്ണൂറു ശതമാനവും പ്രോട്ടോണുകളും ബാക്കി ഹീലിയം പോലുള്ള ആറ്റത്തിന്റെ ന്യൂക്ലിയസുകളും ആയിരിക്കും. അവ സ്ഥിരമായി ഭൂമിയിലേക്ക് വന്നുവീഴാറുണ്ട്. ഇവയുടെ ഉറവിടവും ഉന്നത ഊര്‍ജത്തിന്റെ കാരണവും ഇപ്പോഴും വ്യക്തമല്ല. അതുകൊണ്ടുതന്നെ ലോകമെമ്പാടുമുള്ള ശാസ്ത്രജ്ഞര്‍ ഇതില്‍ ഗവേഷണങ്ങള്‍ നടത്തിക്കൊണ്ടിരിക്കുകയാണ്.
ഇന്ത്യയില്‍ തമിഴ്‌നാട്ടിലെ ഊട്ടിയില്‍ ഇതുമായി ബന്ധപ്പെട്ട ചില ഗവേഷണങ്ങള്‍ നടക്കുന്നുണ്ട്. ഈ പരീക്ഷണത്തിന്റെ പേര് GRAPES (Gamma Ray Astronomy PeV EnergieS) എന്നാണ്. ഊട്ടിയില്‍ ഇവയെ കണ്ടെത്താനാവശ്യമായ ഉപകരണങ്ങളായ സിന്റിലേറ്ററുകള്‍ (scintillator) സ്ഥാപിച്ചിട്ടുണ്ട്. ഇവ കോസ്മിക് വികിരണങ്ങളെ സ്വീകരിച്ച് പ്രകാശ ഊര്‍ജമാക്കി തിളക്കത്തോടെ പുറത്തേക്ക് വിടുന്നു. ചെറിയ അളവ് വികിരണങ്ങള്‍പോലും ഇങ്ങനെ കണ്ടെത്താനും സ്വീകരിക്കാനും അയക്കാനും സാധിക്കും. കമ്പ്യൂട്ടറുകളുടെ സഹായത്തോടെ ഇവയെക്കുറിച്ചുള്ള പഠനങ്ങള്‍ നടന്നുവരികയാണ്.

കണികാ ത്വരിത്രം
ചില കണികകളെ അനുയോജ്യമായ വൈദ്യുത - കാന്തിക മണ്ഡലങ്ങളുടെ സഹായത്തോടെ വളരെ ഉയര്‍ന്ന ഊര്‍ജാവസ്ഥയിലേക്ക് എത്തിക്കുന്ന ഉപകരണങ്ങളാണിവ. വാര്‍ത്തകളില്‍ നിറഞ്ഞുനിന്ന ലാര്‍ജ് ഹാഡ്രോണ്‍ കൊളൈഡറിനെ ആരും മറന്നിട്ടില്ലല്ലൊ. അതൊരു കണികാ ത്വരിത്രം (particle accelerator) ആണ്. അതുപോലെ മറ്റൊന്നാണ് ഫെര്‍മി ലാബ്. ഇവിടെയാണ് പല കണികകളെയും കണ്ടെത്തിയത്. ലാര്‍ജ് ഹൈഡ്രോണ്‍ കൊളൈഡറില്‍ പ്രോട്ടോണിനെ വൈദ്യുത - കാന്തികമണ്ഡലത്തിന്റെ സഹായത്തോടെ ഏതാണ്ട് 7 ദശലക്ഷം മെഗാ ഇലക്‌ട്രോണ്‍ വോള്‍ട്ട് ഊര്‍ജത്തോടെ കൂട്ടിയിടിപ്പിക്കും. എന്നാല്‍ പ്രകൃതിയില്‍ ഇതിനേക്കാള്‍ വളരെയധികം ഊര്‍ജമുള്ള കോസ്മിക് കിരണങ്ങള്‍ കണ്ടുവരുന്നു. ഈ കോസ്മിക് കിരണങ്ങളുടെ ഊര്‍ജം 100 മെഗാ ഇലക്‌ട്രോണ്‍ വോള്‍ട്ട് ആണെങ്കില്‍ അവയ്ക്ക് ഭൂമിയുടെ അന്തരീക്ഷത്തിലെ വൈദ്യുതമണ്ഡലമാണ് ത്വരണം ഉണ്ടാക്കുന്നത്. 10,000 മെഗാ ഇലക്‌ട്രോണ്‍ വോള്‍ട്ട് ആണെങ്കില്‍ അവയുടെ ത്വരണം ഭൂമിക്ക് പുറത്ത് സൗരയൂഥത്തിലാണ് നടക്കുന്നത്. അവയുടെ ഊര്‍ജം 1 ദശലക്ഷം മെഗാ ഇലക്‌ട്രോണ്‍ വോള്‍ട്ട് ആണെങ്കില്‍ ത്വരണം നമ്മുടെ ഗാലക്‌സിക്ക് ഉള്ളില്‍ എവിടെയോ നടക്കുന്നതായിരിക്കും. ചുരുക്കിപ്പറഞ്ഞാല്‍, ഈ ഗവേഷണങ്ങള്‍ പ്രബഞ്ചത്തില്‍ എന്താണ് സംഭവിക്കുന്നതെന്ന് കണ്ടെത്താന്‍ നമ്മളെ സഹായിക്കും.

ന്യൂട്രിനോകളും തേനിയും


തമിഴ്‌നാട്ടിലെ തേനിയില്‍ ന്യൂട്രിനോ ഒബ്‌സര്‍വേറ്ററി സ്ഥാപിച്ചതുമൂലം ആളുകളുണ്ടാക്കിയ ബഹളം തീര്‍ന്നിട്ടില്ല. പ്രകൃതിയെക്കുറിച്ച് അറിയാനുള്ള ഏറ്റവും നല്ല മാര്‍ഗം അതിനെ നിരീക്ഷിക്കുക എന്നതാണെന്ന് നമുക്കറിയാം. ഭൂമിയുടെ അന്തരീക്ഷത്തില്‍ സാധാരണയായി കാണുന്ന മ്യൂഓണുകള്‍ കൃത്യമായി എങ്ങിനെ ഉണ്ടാകുന്നു, അവയുടെ സ്വഭാവമെന്താണ് എന്നൊന്നും നമുക്കറിയില്ല. അവയ്ക്ക് ഭാരം കൂടുതലായതിനാല്‍, സ്വയം വിഘടിച്ച് ചില കണികകളുണ്ടാകുന്നു എന്നറിയാം. ഈ പ്രവര്‍ത്തനത്തില്‍ ന്യൂട്രിനോ എന്നൊരു ചാര്‍ജില്ലാത്ത കണമുണ്ടാകുന്നതായി കണ്ടെത്തിയിട്ടുണ്ട്. അവയെക്കുറിച്ച് പഠിക്കുന്നത് ഭൂമിയിലെ പല കണികാരഹസ്യങ്ങളും കണ്ടെത്താന്‍ സഹായിക്കും. അവയ്ക്ക് ചാര്‍ജില്ലാത്തതിനാലും അവ വളരെ കുറച്ചുമാത്രം പ്രതിപ്രവര്‍ത്തിക്കുന്നതിനാലും ഭൂമിക്കടിയിലുണ്ടാക്കുന്ന വലിയ പരീക്ഷണശാലയിലാണ് ഗവേഷണങ്ങള്‍ നടക്കുക. ഇവയെക്കുറിച്ചുള്ള പഠനം പ്രപഞ്ചത്തിന്റെ പരിണാമത്തെക്കുറിച്ചറിയാന്‍ നമ്മളെ സഹായിക്കും.

ത്വരിത്രങ്ങള്‍
വികിരണങ്ങള്‍, റേഡിയോ ആക്ടീവതയില്‍നിന്നുണ്ടാകുന്ന കണങ്ങള്‍ എന്നിവ പ്രകൃതിയില്‍ സ്വാഭാവികമായി ഉണ്ടാകുന്നതാണ്. എന്നാല്‍ അണുകേന്ദ്രത്തിലെ അജ്ഞാതരായ കണങ്ങളെ കണ്ടുപിടിക്കാന്‍, അണുകേന്ദ്രത്തെ ഇടിച്ചു തകര്‍ക്കുകതന്നെ വേണം. ഇങ്ങനെ ഇടിച്ചു തകര്‍ക്കാന്‍, അത്യധികം വേഗതയില്‍ സഞ്ചരിച്ച് ഗതികോര്‍ജം നേടിയ കണങ്ങളോ മറ്റ് അണുകേന്ദ്രങ്ങളോ ഉപയോഗിക്കാം. കണങ്ങളുടെയോ അണുകേന്ദ്രങ്ങളുടെയോ ഗതികോര്‍ജം കൂട്ടാന്‍ അവയ്ക്ക് ത്വരണം നല്‍കുന്ന യന്ത്രങ്ങളാണ് ത്വരിത്രങ്ങള്‍ (accelerators).
1. രേഖീയ ത്വരിത്രം: ഒരു നീണ്ട കുഴലില്‍ക്കൂടി കണങ്ങളുടെ വേഗത നിരന്തരമായി വര്‍ധിപ്പിക്കുകയാണ് (ത്വരണം ഉണ്ടാക്കുകയാണ്) ഇത് ചെയ്യുന്നത്. കുഴലിന് ചുറ്റും ശക്തിയേറിയ വൈദ്യുതകാന്തങ്ങള്‍ ഉണ്ടാവും. ഏറ്റവും നീളം കൂടിയ രേഖീയ ത്വരിത്രം
(linear accelerator) 3.2 കി.മീ. നീളമുള്ളതായിരുന്നു. ഇവയുടെ ക്രമാതീതമായ നീളം തന്നെയായിരുന്നു വലിയ പ്രശ്‌നം.
2. സൈക്ലൊട്രോണ്‍: രേഖീയ ത്വരിത്രത്തിന്റെ അമിതനീളംപോലുള്ള പ്രശ്‌നങ്ങള്‍ മറികടക്കാന്‍ വൃത്താകൃതിയിലുള്ള ത്വരിത്രങ്ങള്‍ക്ക് കഴിഞ്ഞു. ഇതില്‍ കണങ്ങള്‍ക്ക് പരിധിയില്ലാതെ ത്വരണം നല്‍കാം. കണികകള്‍ വൃത്താകൃതിയിലുള്ള ഒരു കുഴലില്‍ക്കൂടി പലപ്രാവശ്യം കടന്നുപോകും. ആദ്യകാല സൈക്ലൊട്രോണുകളില്‍ (cyclotron) ഒരു കാന്തം മാത്രമാണ് ഉപയോഗിച്ചിരുന്നത്. വേഗത കൂടുംതോറും കണികകളുടെ ആപേക്ഷിക ദ്രവ്യമാനം കൂടുമെന്നതും അതുകാരണം നേടാവുന്ന ത്വരണത്തിന് പരിധി ഉണ്ടെന്നുള്ളതുമായിരുന്നു സൈക്ലൊട്രോണിന്റെ പ്രധാന പരിമിതി.
3. സിംക്രൊട്രോണ്‍: സൈക്ലൊട്രോണിന്റെ പരിമിതികള്‍ മറികടക്കാന്‍ കാന്തികമണ്ഡലത്തെ വിഭജിച്ചും റേഡിയോ അനുനോദക അറകള്‍ (resonance cavity) ഉപയോഗിച്ചും മാറ്റം വരുത്തിയിട്ടാണ് സിംക്രൊട്രോണ്‍ ഉണ്ടാക്കിയത്. ലാര്‍ജ് ഹാഡ്രോണ്‍ കൊളൈഡര്‍ ഒരു ഭീമന്‍ സിംക്രൊട്രോണ്‍ ആണ്.
പി. എം. എസ്.

'നിങ്ങളുടെ സിദ്ധാന്തം എത്ര സുന്ദരവും ആയിക്കോട്ടെ. നിങ്ങള്‍ എത്ര സമര്‍ത്ഥനും ആവട്ടെ. നിങ്ങളുടെ സിദ്ധാന്തം പരീക്ഷണങ്ങളുമായി ഒത്തുപോകുന്നില്ലെങ്കില്‍, ആ സിദ്ധാന്തം തെറ്റാണ്.'
- റിച്ചാര്‍ഡ് ഫെയിന്‍മാന്‍

*പ്രൊഫസര്‍, ഊര്‍ജതന്ത്രവിഭാഗം, ഇന്‍സ്റ്റിട്യൂട്ട് ഓഫ് മാത്തമാറ്റിക്കല്‍ സയന്‍സസ്, ചെന്നൈ (കണികാഭൗതികത്തില്‍ ഗവേഷണം നടത്തുന്ന ശാസ്ത്രജ്ഞ)