ന്യൂട്രിനോകളുടെ തനിക്കൊണം തിരിച്ചറിഞ്ഞവർക്ക് നോബൽ

പ്രപഞ്ചത്തെ കുറിച്ചുള്ള അടിസ്ഥാന അറിവിലേയ്ക്ക് സംഭാവന നൽകിയവർക്കാണ് ഇത്തവണത്തെ ഭൗതികശാസ്ത്ര നോബൽ സമ്മാനം. പ്രൊഫ. തകാകി കാജിറ്റാ, പ്രൊഫ. ആർതർ മക്ഡൊണാൾഡ് എന്നിവരുടെ ശ്രമത്താൽ തെളിയിക്കപ്പെട്ട ന്യൂട്രിനോ ഓസിലേഷൻ എന്ന പ്രതിഭാസമാണ് അവരെ അതിനർഹരാക്കിയിരിക്കുന്നത്. ന്യൂട്രിനോകളുടെ സ്വഭാവത്തെ കുറിച്ചും അതുവഴി ദ്രവ്യപ്രപഞ്ചത്തിന്റെ രൂപകല്പനയെ കുറിച്ചും അതുവരെയുണ്ടായിരുന്ന ധാരണകളെ തിരുത്തി എന്നതാണ് ഈ കണ്ടെത്തലിന്റെ പ്രസക്തി. 

(ഇനി പറയുന്ന കാര്യങ്ങൾക്ക് പശ്ചാത്തലമായി ‘ദൈവകണവും ദൈവവും തമ്മിലെന്ത്’ എന്ന പഴയ പോസ്റ്റ് കൂടി വായിക്കുന്നത് ചില സാങ്കേതികപദങ്ങൾ മനസിലാക്കാൻ സഹായിക്കും)

എന്താണ് ന്യൂട്രിനോകൾ

നമ്മുടെ പ്രപഞ്ചത്തിന്റെ അടിസ്ഥാന നിർമാണ യൂണിറ്റുകൾ എന്ന് വിളിക്കാവുന്ന മൗലികകണങ്ങളുടെ (elementary particles) കൂട്ടത്തിൽ പെടുന്ന ഒരു കണമാണ് ന്യൂട്രിനോ. ശ്രദ്ധിക്കണേ, ‘ന്യൂട്രിനോ’ ആണ്, ‘ന്യൂട്രോൺ’ അല്ല. ഇവർ രണ്ടും വേറേ വേറെ ടീമുകളാണ്. പ്രകാശകണങ്ങളായ ഫോട്ടോണുകൾ കഴിഞ്ഞാൽ പ്രപഞ്ചത്തിൽ ഏറ്റവും കൂടുതലുള്ള കണങ്ങൾ ന്യൂട്രിനോകളാണ്. സൂര്യനുൾപ്പടെയുള്ള നക്ഷത്രങ്ങളിൽ നിന്നും സൂപ്പർനോവാ സ്ഫോടനങ്ങളിൽ നിന്നും ഒക്കെയായി ഇവ നിരന്തരം പുറത്തുവന്നുകൊണ്ടിരിക്കുന്നു. കോസ്മിക് കിരണങ്ങൾ അന്തരീക്ഷവുമായി പ്രതിപ്രവർത്തിക്കുന്നതിന്റെ ഫലമായും ന്യൂട്രിനോകൾ ഉണ്ടാകുന്നുണ്ടെങ്കിലും, സൂര്യൻ ഉണ്ടാക്കിവിടുന്ന ന്യൂട്രിനോകളുമായി താരതമ്യം ചെയ്യുമ്പോൾ അതൊന്നും ഒന്നുമല്ല എന്ന് പറയാം. ഭൗമോപരിതലത്തിലെ ഒരു സ്ക്വയർ സെന്റീമീറ്റർ വിസ്താരമുള്ള ഒരു സ്ഥലമെടുത്താൽ അതിനുള്ളിൽക്കൂടി മാത്രം ഒരു സെക്കന്റിൽ 6500 കോടി സോളാർ ന്യൂട്രിനോകളാണ് കടന്നുപോകുന്നത്. ഇതിനെ സാങ്കേതിക ഭാഷയിൽ സോളാർ ന്യൂട്രിനോ ഫ്ലക്സ് എന്ന് വിളിക്കും. ഇതെഴുതുമ്പോൾ എന്റെ ശരീരത്തിലൂടെയും വായിക്കുന്ന നിങ്ങളുടെ ശരീരത്തിലൂടെയും കോടാനുകോടി ന്യൂട്രിനോകൾ നിരന്തരം കടന്നുപോകുന്നുണ്ട് എന്ന്! നിങ്ങളിതുവല്ലതും അറിയുന്നുണ്ടോ? ഇതിന് രാത്രിയും പകലുമൊന്നും വ്യത്യാസമില്ല. കാരണം ഏത് പാതാളത്തിലും നുഴഞ്ഞുകയറുന്ന പാഷാണത്തിക്കൃമികളാണ് ന്യൂട്രിനോകൾ. രാത്രി സമയത്ത് സൂര്യൻ ഭൂമിയുടെ മറുവശത്തായതിനാൽ സൂര്യപ്രകാശത്തിന് നമ്മുടെ വശത്ത് എത്താനാവില്ല, പക്ഷേ ന്യൂട്രിനോകൾ കൂളായി ഭൂമി തുളച്ച് ഇപ്പുറത്ത് വരും. ന്യൂട്രിനോകളുടെ ഈ നുഴഞ്ഞുകയറ്റ ശേഷിയുടെ വലിപ്പം മനസിലാവാൻ മറ്റൊരു കണക്ക് കൂടി പറയാം. സൂര്യന്റെ ആന്തരഭാഗമായ കോറിൽ നടക്കുന്ന ന്യൂക്ലിയർ ഫ്യൂഷൻ പ്രവർത്തനത്തിലാണ് പ്രകാശത്തിന്റെ ഫോട്ടോണുകളും ന്യൂട്രിനോകളും ഉണ്ടാകുന്നത്. പക്ഷേ നക്ഷത്രത്തിനുള്ളിലെ കുഴഞ്ഞുമറിഞ്ഞ അവസ്ഥയിൽ അവിടേയ്ക്കും ഇവിടേയ്ക്കും തട്ടിത്തെറിക്കപ്പെടുന്ന ഒരു ഫോട്ടോണിന് നക്ഷത്രത്തിൽ നിന്ന് പുറത്തെത്താൻ പതിനായിരക്കണക്കിന് വർഷം വേണ്ടിവരും. പക്ഷേ ന്യൂട്രിനോയ്ക്ക് രണ്ട് സെക്കന്റ് മതി! കണക്കനുസരിച്ച് ഒരു ശരാശരി മനുഷ്യന്റെ ജീവിതകാലത്തിനിടയ്ക്ക് ശരീരത്തിലൂടെ ഏതാണ്ട് 10^23 ന്യൂട്രിനോകൾ കടന്നുപോകുന്നുണ്ട്. 

പക്ഷേ ഇതും കേട്ട് ന്യൂട്രിനോകൾ ക്യാൻസറുണ്ടാക്കും എന്ന് വാട്സാപ്പിലൂടെ പ്രചരിപ്പിക്കാനോ 'ആന്റി-ന്യൂട്രിനോ ലേഹ്യം' വാങ്ങാനോടാനോ വരട്ടെ. ഇത്രേം സർവവ്യാപി ആയിരുന്നിട്ടും മനുഷ്യൻ ന്യൂട്രിനോയെ കണ്ടെത്തുന്നത് 1965-ൽ മാത്രമാണ്. കാരണം ന്യൂട്രിനോകൾ വളരെ പ്രതിപ്രവർത്തനശേഷി കുറഞ്ഞ കണങ്ങളാണ്. ഒരു ജീവിതകാലം മുഴുവൻ നമ്മുടെ ശരീരത്തിലൂടെ കടന്നുപോയാലും നമ്മുടെ ഏതെങ്കിലും ഒരു ആറ്റവുമായി പ്രതിപ്രവർത്തിക്കുന്നത് ഒന്നോ രണ്ടോ ന്യൂട്രിനോകൾ മാത്രം ആയിരിക്കും. ഈ പാവത്താൻ സ്വഭാവം കാരണം ഒരു കുഴപ്പമുണ്ട്- ഇവയുടെ സാന്നിദ്ധ്യം അറിയാൻ കഴിയില്ല. ഒരു വസ്തുവിനെ കാണുകയോ detect ചെയ്യുകയോ വേണമെങ്കില്‍ അത് നമ്മുടെ കണ്ണുമായോ detector ഉപകരണവുമായോ പ്രതിപ്രവര്‍ത്തിക്കണം. ഒരു വസ്തുവിനെ നാം കാണുന്നത് അതില്‍ നിന്നുള്ള ഫോട്ടോണുകള്‍ നമ്മുടെ കണ്ണുമായി പ്രതിപ്രവര്‍ത്തിക്കുമ്പോള്‍ മാത്രമാണ്. ഇത്രയധികം ന്യൂട്രിനോകള്‍ ഭൂമിയിലൂടെ തലങ്ങും വിലങ്ങും പാഞ്ഞിട്ടും ലോകത്തിന്റെ പല കോണുകളിലും ഉള്ള പാര്‍ട്ടിക്കിൾ/റേഡിയേഷന്‍ ഡിറ്റക്ടറുകള്‍ക്കൊന്നും ഇതിനെ കാണാനേ സാധിച്ചില്ല. ഒരു വലിയ ആള്‍ക്കൂട്ടത്തില്‍ പാവത്താന്‍മാരെ ആരും അത്ര പെട്ടെന്ന് ശ്രദ്ധിക്കില്ലല്ലോ. അന്തരീക്ഷം മൊത്തം ഫോട്ടോണുകളും മറ്റ് കണങ്ങളും ഉള്ളതിനാല്‍ അക്കൂട്ടത്തില്‍ നിന്നും ന്യൂട്രിനോകളെ തിരഞ്ഞ് പിടിച്ചു ഡിറ്റക്റ്റ് ചെയ്യുക പ്രയാസമാണ്. അതുകൊണ്ടാണ് ന്യൂട്രിനോ നിരീക്ഷണശാലകള്‍ ഭൂമിക്കടിയിലോ വെള്ളത്തിനടിയിലോ സ്ഥാപിക്കുന്നത്, മറ്റു കണങ്ങള്‍ അവിടെ എത്തില്ല എന്നതുകൊണ്ട്. നക്ഷത്രങ്ങളെ നന്നായി കാണാന്‍ മറ്റു പ്രകാശങ്ങള്‍ ഇല്ലാത്ത ഇരുട്ടുള്ള സ്ഥലത്ത് നില്‍ക്കുന്നതുപോലെയാണിത്. മാത്രമല്ല, വളരെ വലിയ ഡിറ്റക്ടറുകള്‍ ഉപയോഗിച്ചാല്‍ മാത്രമേ പ്രയോജനവും ഉള്ളൂ. കൂടുതല്‍ മഴവെള്ളം ശേഖരിക്കാന്‍ കൂടുതല്‍ വാവട്ടമുള്ള പാത്രം ഉപയോഗിക്കണം എന്നപോലെ തന്നെ.
 

ജപ്പാനിലെ സൂപ്പർ കാമിയൊക്കൊണ്ടേ ന്യൂട്രിനോ ഡിറ്റക്റ്ററിനുള്ളിൽ നീൽ ടൈസൺ ('കോസ്മോസ്' ടീവീ സീരീസിന്റെ ഷൂട്ടിനിടയിലാണിത്)

ന്യൂട്രിനോ വേട്ടയുടെ നാൾവഴി

ന്യൂട്രിനോയെ 1965-ൽ കണ്ടെത്തിയപ്പോൾ മാത്രമാണ് നമ്മൾ അതിനെക്കുറിച്ച് അറിയുന്നത് എന്ന് വിചാരിക്കരുത് കേട്ടോ. ഇങ്ങനൊരു കണത്തെക്കുറിച്ച് ആദ്യം സംസാരിക്കുന്നത് 1931-ൽ വൂൾഫ്ഗാങ് പോളി എന്ന ശാസ്ത്രജ്ഞനാണ്. റേഡിയോ ആക്റ്റീവ് മൂലകങ്ങളിൽ നിന്നുള്ള ബീറ്റാ വികിരണങ്ങളെ വിശദീകരിക്കാനാണ് അദ്ദേഹം ന്യൂട്രിനോ (അന്ന് പേരിട്ടിട്ടില്ല) എന്ന കണത്തെ കൊണ്ടുവരുന്നത്. അതിന് ശേഷം എൻറിക്കോ ഫെർമിയും ഇത്തരമൊരു കണത്തിന്റെ അസ്തിത്വം സ്ഥിരീകരിക്കുന്ന സിദ്ധാന്തങ്ങൾ രൂപീകരിച്ചു. അങ്ങനെ ഇവർ ചേർന്ന് നടത്തിയ പ്രവചനങ്ങളിലാണ് ന്യൂട്രിനോ ആദ്യമായി പ്രത്യക്ഷപ്പെടുന്നത്. ശാസ്ത്രത്തിലെ പ്രവചനം കവടി നിരത്തി വായിൽ തോന്നുന്നത് പറയുന്ന പരിപാടി അല്ലാന്ന് അറിയാമല്ലോ. അന്നുവരെയുള്ള ശാസ്ത്രീയ സിദ്ധാന്തങ്ങളുടെ വെളിച്ചത്തിൽ അവയുമായും നിരീക്ഷണങ്ങളുമായും ഒത്തുപോകുന്ന ഒരു കണത്തിന്റെ സാന്നിദ്ധ്യം ഊഹിച്ചെടുക്കുകയായിരുന്നു ഇവിടെ. പക്ഷേ അന്ന്, യാഥാർത്ഥ്യത്തിന് നിരക്കുന്ന സിദ്ധാന്തമല്ല എന്നുപറഞ്ഞ് ഫെർമിയുടെ പ്രബന്ധം നേച്ചർ ജേണൽ നിരസിക്കുകയാണ് ചെയ്തത്.  പിന്നീട് ബീറ്റാ വികിരണങ്ങൾ –അടിസ്ഥാനപരമായി ഇലക്ട്രോണുകൾ തന്നെയാണവ- തങ്ങളുടെ ഊർജം മറ്റേതോ കണങ്ങളുമായി പങ്ക് വെക്കുന്നുണ്ട് എന്ന് അനുമാനിക്കാൻ പോന്ന തെളിവുകൾ പരീക്ഷണങ്ങളിൽ നിന്ന് കിട്ടിയതോടെ ശാസ്ത്രലോകം ന്യൂട്രിനോകളെ ഗൗരവമായി കാണാൻ തുടങ്ങി.

അന്നത്തെ കാലത്ത് ന്യൂട്രിനോകളെ നേരിട്ട് കണ്ടെത്താനുള്ള പരീക്ഷണസംവിധാനങ്ങൾ അസാദ്ധ്യമായിരുന്നു. എന്നാൽ ഫെർമിയുടെ പ്രവചനത്തിലെ, ഒരു പ്രോട്ടോണിനെ ന്യൂട്രോണാക്കി മാറ്റാനുള്ള ന്യൂട്രിനോയുടെ കഴിവ് നല്ലൊരു ക്ലൂ ആയിരുന്നു. ഫ്രഡറിക് റീൻസ്, ക്ലൈഡ് കോവൻ എന്നീ ശാസ്ത്രജ്ഞർ ഇത് ഏറ്റെടുത്തു. ഒരു ന്യൂക്ലിയർ റിയാക്ടറിൽ നിന്നുള്ള ബീറ്റ വികിരണങ്ങളോടൊപ്പം ഉണ്ടാകുന്ന ന്യൂട്രിനോകളെ ഉപയോഗിച്ച് പ്രോട്ടോണിനെ ന്യൂട്രോണാക്കി മാറ്റാൻ അവർക്ക് കഴിഞ്ഞു. 1956-ൽ നടന്ന ഈ പരീക്ഷണം ന്യൂട്രിനോകളുടെ സാന്നിദ്ധ്യം സ്ഥിരീകരിക്കുന്നതായിരുന്നു. നാല്പത് വർഷത്തോളം കഴിഞ്ഞ് 1995-ലാണ് ഇതിന് നോബൽ സമ്മാനം അവരെ തേടിയെത്തിയത്. ഇവിടെ ഒരു തമാശ ഉള്ളത്, 1995-ൽ ന്യൂട്രിനോയെ കണ്ടെത്തിയതിന് നോബൽ സമ്മാനം നൽകപ്പെടുമ്പോൾ 1988-ൽ നൽകപ്പെട്ട ഒരു നോബൽ സമ്മാനം നിലവിലുണ്ട്. അത് ന്യൂട്രിനോകൾ ഒന്നിൽ കൂടുതൽ തരത്തിലുണ്ട് എന്ന കണ്ടെത്തലിനായിരുന്നു ലിയോൺ ലെഡർമാൻ (ദൈവകണത്തിന്റെ പേരിന് കാരണക്കാരനായ ആളാണ് കക്ഷി) ഉൾപ്പടെ മൂന്ന് പേർ നോബൽ പ്രൈസ് വാങ്ങിയത്. 

അങ്ങനെ ന്യൂട്രിനോകളെ കുറിച്ചുള്ള വ്യക്തമായ ഒരു ചിത്രം പതിയെ ഉരുത്തിരിഞ്ഞു. മൂന്ന് വകഭേദങ്ങളിൽ –ഫ്ലേവർ എന്ന് സാങ്കേതികപദം- കാണപ്പെടുന്ന ന്യൂട്രിനോകൾക്ക് ചാർജോ മാസ്സോ ഇല്ല. ഇലക്ട്രോൺ, മുവോൺ, ടോ ലെപ്റ്റോൺ എന്നിങ്ങനെ മൂന്ന് ലെപ്റ്റോൺ കണങ്ങളുമായി ബന്ധപ്പെട്ടാണ് ഈ മൂന്ന് ഫ്ലേവറുകളിൽ അവ കാണപ്പെടുന്നത്. ചാർജ് ഇല്ലാത്തതിനാൽ ഇലക്ട്രോമാഗ്നറ്റിക് ബലത്തിനോ ലെപ്റ്റോൺ കണമായതിനാൽ സ്ട്രോങ് ന്യൂക്ലിയർ ബലത്തിനോ ഇവയെ സ്വാധിനിക്കാൻ ആവില്ല. വീക് ന്യൂക്ലിയർ ബലം എന്ന അവശേഷിക്കുന്ന ബലം വളരെ വളരെ ചെറിയ ദൂരങ്ങളിൽ മാത്രം -ഒരു പ്രോട്ടോണിന്റെ വലിപ്പത്തിന്റെ ആയിരത്തിലൊരംശം ദൂരം!- പ്രവർത്തിക്കുന്നതാകയാൽ, പ്രായോഗിക തലത്തിൽ സാധാരണ ദ്രവ്യകണങ്ങളുമായി ന്യൂട്രിനോകൾ എളുപ്പത്തിൽ പ്രതിപ്രവർത്തിക്കില്ല. 

2015 നോബലിലേയ്ക്കുള്ള വഴി

ന്യൂട്രിനോയുടെ സ്ഥിരീകരണവും 1960-കളിൽ അവയെ ഡിറ്റക്റ്റ് ചെയ്യാനുള്ള സങ്കേതങ്ങളും വന്നതോടെ പുതിയൊരു പ്രശ്നം തലയുയർത്തി- സോളാർ ന്യൂട്രിനോ പ്രശ്നം. സൂര്യന്റെ ഉൾഭാഗത്തെ ന്യൂട്രിനോ നിർമാണത്തിന്റെ കണക്കുകൾ സിദ്ധാന്ത മാതൃകകൾ വച്ച് കണക്കാക്കാൻ സാധിയ്ക്കും. ഭൂമിയിലൂടെ കടന്നുപോകുന്ന സോളാർ ന്യൂട്രിനോകളുടെ കണക്ക് ഡിറ്റക്റ്ററുകളിൽ നിന്നും എടുക്കാനാകും. പ്രശ്നം എന്താണെന്ന് വെച്ചാൽ, ഇവ തമ്മിൽ പൊരുത്തപ്പെടുന്നില്ല. കണക്കനുസരിച്ച് സൂര്യനിൽ നിന്നും ഇവിടെയെത്തേണ്ട ന്യൂട്രിനോകളുടെ പകുതിയിൽ താഴെ മാത്രമേ ഇവിടെ എത്തുന്നുള്ളു. (ഈ ‘കണക്കെടുപ്പി’നാണ് 2002-ലെ നോബൽ സമ്മാനം നൽകപ്പെട്ടത്) സൂര്യനിലെ ന്യൂട്രിനോ നിർമാണത്തെ കുറിച്ചുള്ള മോഡലിലെ പിഴവാണ് കാരണമെന്നാണ് ആദ്യം കരുതിയതെങ്കിലും, ആ ദിശയിലുള്ള ഒരു പരിഷ്കരണത്തിനും പ്രശ്നം പരിഹരിക്കാനായില്ല. 

ഇവിടെയാണ് കാജിറ്റായുടേയും മക്ഡൊണാൾഡിന്റേയും ഗവേഷണം വഴിത്തിരിവാകുന്നത്. സൂര്യനിൽ നിന്ന് ഇവിടേയ്ക്കുള്ള യാത്രയ്ക്കിടെ ന്യൂട്രിനോകൾ തങ്ങളുടെ ഫ്ലേവർ മാറുന്നു എന്നവർ കണ്ടെത്തി. ജപ്പാനിലെ സൂപ്പർ-കമിയോക്കണ്ടേ ന്യൂട്രിനോ ഒബ്സർവേറ്ററി, കാനഡായിലെ സഡ്ബറി ന്യൂട്രിനോ ഒബ്സർവേറ്ററി എന്നിവിടങ്ങളിലായിരുന്നു ഗവേഷണം. ഈ ഫ്ലേവർ മാറ്റത്തെയാണ് ന്യൂട്രിനോ ഓസിലേഷൻ എന്ന് വിളിക്കുന്നത്. ഇതിന് വളരെ ഗൗരവകരമായ മറ്റൊരു മാനം കൂടി ഉണ്ടായിരുന്നു. മാസ്സ് ഇല്ലാത്ത ന്യൂട്രിനോകൾ പ്രകാശവേഗതയിൽ സഞ്ചരിക്കണം, അങ്ങനെയെങ്കിൽ ആപേക്ഷികതാ സിദ്ധാന്തപ്രകാരം അവയുടെ ക്ലോക്ക് ഓടില്ല, അങ്ങനെയെങ്കിൽ അവർക്ക് ‘മാറ്റം’ എന്നൊന്ന് സാധ്യമാകില്ല. അതായത്, ന്യൂട്രിനോ ഓസിലേഷൻ സ്ഥിരീകരിക്കുമ്പോൾ ന്യൂട്രിനോയ്ക്ക് മാസ്സ് ഉണ്ട് എന്നുകൂടി അംഗീകരിക്കേണ്ടിവരും. അതുവരെ മല പോലെ നിലനിന്ന ‘സ്റ്റാൻഡേർഡ് മോഡലി’ന്റെ പരിഷ്കരണത്തിലേയ്ക്ക് ഇത് നയിച്ചു. പ്രപഞ്ചത്തെ കുറിച്ചുള്ള നമ്മുടെ അടിസ്ഥാന ധാരണകളാണ് അതോടെ പരിഷ്കരിക്കപ്പെട്ടത്.ഇന്നത്തെ അറിവിൽ ന്യൂട്രിനോകൾക്ക് വളരെ ചെറിയ ഒരു മാസ്സുണ്ട്. ഇലക്ട്രോണിന്റെ പത്തുലക്ഷത്തിൽ ഒരംശമേയുള്ളുവെങ്കിലും ഇത് ശാസ്ത്രദൃഷ്ടിയിൽ 'പൂജ്യം മാസ്സ്' അല്ല.