விஞ்ஞான முட்டி மோதல் – பகுதி 5

பல வித அணு சோதனைகளுக்கும் அடிப்படை ஹைட்ரஜன் வாயு. ஹைட்ரஜன் அணுவில் சுழலும் ஒரு எலெக்ட்ரான், அணுக்கருவினுள் உள்ள ஒரு ப்ரோட்டானைச் சுற்றுகிறது. இதில் நியூட்ரான் கிடையாது. 1930 –களில் உருவாக்கப்பட்ட முதல் அணு வேகப்படுத்தும் கருவியான சைக்லோட்ரானிலிருந்து (cyclotron) இன்று ராட்சச உருவில் அணு ஆராய்ச்சிக்கு உதவி வரும் LHC-வரையில் அடிப்படை மூலப்பொருள் ஹைட்ரஜன் வாயுதான்.ஹைட்ரஜன் இயற்கையில் சேர்மங்களாகத் (compounds) தான் தோன்றுகிறது. தண்ணீரில் பெரும் பங்கு ஹைட்ரஜனாக இருந்தாலும், இதைப் பிரித்து எடுப்பது அவ்வளவு எளிதல்ல. ஆனால், ஹைட்ரஜனைப் பிரிப்பது பழைய வேதியல். அதைப்பற்றி இங்கு விளக்கப் போவதில்லை. அணுத்துகளை வேகப்படுத்தும் எல்லா எந்திரங்களும் (particle accelerators),கருவிகளும் எலெக்ட்ரான் மற்றும் ப்ரோட்டானைச் சுற்றியே பெரும்பாலும் அமைவதற்கான காரணமும் இதுவே.

எளிய முறையில் அணுத்துகள்களை வேகப்படுத்தும் கருவி என்ற ஒன்று உண்டா?

CRT டிவி. நன்றி, How Stuff Works

கொஞ்ச வருஷம் முன்னால், என்னுடைய பழைய ஹிடாச்சி (Hitachi) டிவியை தெருவில் வைத்து விட்டேன். இதை விற்கிறேன் என்று விலைசொன்னால் சிரிப்பார்கள். அந்த டிவியில் அவ்வப்பொழுது சில மின்பொறிகள் தெரியும், திடீரென்று ஒரு கலர் தெரியாமல் போய்விட்டது. எல்லாம் ஒரே இளஞ்சிவப்பு (pink) மயமாகத்தெரியும். பழைய டிவிக்கும் இக்கட்டுரைக்கும் என்ன சம்பந்தம்? இது போன்ற பழைய டிவி-கள் (CRT TVs) நமக்கு மிகவும் பரிச்சயமான ஒரு அணுத்துகள் வேகக் கருவி! இந்த டிவிக்குப் பின்னால், “மிக அதிக மின்னழுத்தம் – ஜாக்கிரதை” (high voltage warning) என்று எழுதியிருக்கும். இவை, பல்லாயிரம் வோல்டேஜில் (20,000 volts) வேலை செய்பவை. எலெக்ட்ரான்கள், ஒரு மின்துப்பாக்கியிலிருந்து திரை நோக்கி அதி வேகமாகச் செலுத்தப்படுகின்றன. வேகமாக, திரை நோக்கி வரும் எலெக்ட்ரான்கள், திரையில் உள்ள ஃபாஸ்பரைத் (phosphor) தாக்கி, அவற்றில் சில எலெக்ட்ரான்கள், அடுத்த சக்தி அளவுக்கு தாண்டி, தன்னுடைய ஸ்திரமான சக்தி அளவுக்கு மீண்டும் திரும்பத் தாவும்போது, ஒளித் துகள்களை (ஃபோட்டான்) வெளியேற்ற, அதுவே படமாக, சூர்யாவாகிறார்! இதில் உள்ள முக்கிய விஷயங்கள் இரண்டு.

1) அணுத்துகள்களை ஒரு பாதையில் செலுத்த, உயர் அழுத்த மின்சாரம் தேவை (இது இன்றுள்ள LHC வரை உண்மை)

2) இப்படிப்பட்ட அணுத்துகள்கள் ஓரளவிற்குத்தான் நாம் எதிர்பார்த்த பாதையில் செல்லும். இதனால்தான், பழைய டிவிகள் ஓரளவிற்கு மேல் பெரிய சைசில் வரவில்லை. அதுவும் எலெக்ட்ரான்கள் மிகவும் சன்னமானவை! இவற்றை வெற்றிடத்தில் (vacuum) ஓரளவிற்கு மேல்,வெறும் உயர் அழுத்த மின் மண்டலத்தைக்(high voltage electrical field) கொண்டு கட்டுப்படுத்தி, வேண்டிய பாதையில்செலுத்துவது கடினம்.

அணுவை வேகப்படுத்தும் கருவி ஏன் தேவைப்பட்டது?

ரூதர்ஃபோர்ட் (Ernest Rutherford) இங்கிலாந்தைச் சேர்ந்த, புகழ் பெற்ற அணு விஞ்ஞானி. இவர், பல அணு பெளதிகப் பிரச்னைகளைத் தீர்க்க ஒரே வழி, அணுக்கருவிற்குள் என்ன இருக்கிறது என்று சரியாக புரிந்து கொள்வதுதான் என்று தன்னுடைய 1927 உரையில் சொன்னது பல விஞ்ஞானிகளுக்கு ஒரு பெரிய ஊக்குவிக்கும் சவாலாகப் பட்டது. அமெரிக்க விஞ்ஞானி எர்னெஸ்ட் லொரன்ஸ் (Ernest Lawrence), மற்றும் நார்வே நாட்டைச் சேர்ந்த ரால்ஃப் விதரோ (Rolf Widerøe) இதை ஒரு சொந்தச்சவாலாக ஏற்று, அணுத்துகள் வேக எந்திரங்களை உருவாக்கினார்கள்.

image2நமது பழைய டிவியைவிட அதிக வேகத்தில் எப்படி எலெக்ட்ரான்களை ஒரு நேர் பாதையில் பயணிக்க வைப்பது? பழைய டிவியில் இருக்கும் குழாயைப்போல சில வெற்றிடக் குழாய்களை (vacuum tubes)அமைத்து, அவற்றை இணைத்தார், விதரோ. குழாய்களின் நடுவே மாறு மின்னோட்டச் (alternatingcurrent) சக்தியால், எப்படி எலெக்ட்ரான்களை வேகப்படுத்த முடியும் என்று யோசித்தார். மாறு மின்னோட்ட சக்தியின் அதிர்வெண்ணை (frequency) குழாய்களின் நீளத்துக்கு இணங்கச் சரி செய்தார்.ஒவ்வொரு முறை இந்தக் குழாய் இடைவெளியைத் தாண்டும்பொழுது, எலெக்ட்ரான்கள் வேகப்படுத்தப்பட்டுக் கொண்டே வந்தன என்று காண்பித்தார் விதரோ. நீளமான அணுத்துகள் வேக எந்திரங்கள் – செல்லமாக லினாக் (Linac – Linear Accelerator) என்று இன்று அழைக்கப்படுகின்றன. எல்லாவற்றுக்கும் அடிப்படை விதரோவின் யோசனைதான்!

பறக்கும் அணுத்துகள்களை எப்படி, மீண்டும் மீண்டும் வெற்றிடக் குழாய் இடைவெளிக்குள் வரimage3 வைப்பது? லொரன்ஸின் பங்கு இதில் முக்கியமானது. காந்த மண்டலம் ஒன்றை உருவாக்கினால் (magnetic field), பறக்கும் அணுத்துகள்களை வட்டப் பாதையில் செலுத்த முடியும் என்று அவர் கண்டு பிடித்தார். அப்படி அவர் கண்டுபிடித்த எந்திரம், சைக்ளோட்ரான் (cyclotron). இன்று எவ்வளவோ வளர்ந்துவிட்ட நிலையில் அணுத்துகளை வேகப்படுத்தும் எந்திரங்கள் இருந்தாலும், அடிப்படையாக லொரன்ஸ் கண்டுபிடிப்பின்படியே வேலை செய்கின்றன. இன்று சைக்லோட்ரான், உலகெங்கும், பல வகைகளில் பயன்படுத்தப்படுகிறது. குறிப்பாக, பலவிதக் கதிரியக்க மருந்துகள் இன்று சைக்லோட்ரான் உதவியுடன் தயாரிக்கப்படுகின்றன. எந்தப் பெரிய மருத்துவமனைக்குச் சென்றாலும், அணு மருத்துவப் (Nuclear Medicine) பிரிவு என்ற ஒன்றைக் காணலாம். லொரன்ஸ் வசித்து ஆய்வுகள் நடத்திய, கலிஃபோர்னியாவில் உள்ள பெர்க்லி (Berkeley, CA) நகரம் அன்றும், இன்றும் அணு ஆராய்ச்சிக்குப் புகழ் பெற்றது. அங்குள்ள ஒரு முக்கியமான ஆராய்ச்சிசாலைக்கு அவருடைய பெயரையே சூட்டி (Lawrence Livermore Laboratory) கெளரவப்படுத்தியுள்ளார்கள்.

இதோ, பெர்க்லி ஆராய்ச்சிசாலையின் அழகான ஃப்ளிக்கர் புகைப்படத் தொகுப்பு –அணு ஆராய்ச்சியின் சரித்திரத்தைக் காட்டும் படங்கள்:

Berkeley Lab History – a photoset by Lawrence Berkeley National Laboratory on Flickriver

ராட்சச எந்திரம் என்று பலமுறை சொல்லியுள்ளீர்கள்? எதை வைத்து ராட்சச எந்திரம் என்று தீர்மானிக்கிறார்கள்?

பொதுவாக, ராட்சச அளவு என்று சொல்கையில் பெரும் கொள்ளளவு, அல்லது அதிக உயரம், அகலம் போன்ற விஷயங்களை வைத்துச் சொல்கிறோம். உதாரணத்திற்கு, கனடா-அமெரிக்கா நாடுகளிடையே உள்ள சுபீரியர் ஏரியை (Lake Superior) ராட்சசஏரி எனலாம். – கடலைப் போன்று காட்சியளிக்கும் இந்த ஏரி, உலகின் மிகப் பெரிய குடிநீர் ஏரி. 82,100 சதுரக் கி.மீ. பரப்புள்ள குடிநீர் ஏரி இது. ஒரு கரையிலிருந்து இன்னொரு கரை தெரியாது. ஆக, பரப்பளவும் ராட்சசத்தனத்தின் ஒரு அளவுகோல்.

image4அணுத்துகளைவேகப்படுத்தும் எந்திரங்கள் முதலில் ஆராய்ச்சிசாலையில்தான் உருவாயின. போகப் போக அவற்றின் பரப்பளவுத் தேவை மிகப் பெரியதாகி, ஆராய்ச்சிசாலையை விட்டு வெளியே வர வேண்டிய கட்டாயம் ஏற்பட்டது. ஆராய்ச்சிசாலையிலிருந்து, அவ்வகை எந்திரங்கள் ஏராளமாகத் தேவைப்பட்ட இடத்தை நாடி, பூமிக்கு கீழே இடம் மாறின. சிகாகோ அருகில் உள்ள ஃபெர்மி அணுத்துகள் ஆராய்ச்சி வசதி (Fermi National Accelerator Laboratory), பூமிக்கு அடியே 6 கி.மீ. நீளத்திற்கு (வட்ட வடிவு) சுரங்கத்திற்குள் உள்ளது. இந்த வசதிஇருக்கிற இடத்துக்கு மேலே, தரைமட்டத்தில், மாடுகள் இன்றும் மேய்ந்து கொண்டுதான் இருக்கின்றன! அதைப்போலவே, கலிஃபோர்னியாவில், ஸ்டான்ஃபோர்டில் உள்ள லினாக் (Stanford Linear Accelerator Laboratory – SLAC), 3 கி.மீ. நீளமுள்ள வசதி. உலகின் மிக நீளமான அணுத்துகள் ஆராய்ச்சி நிலயங்களில் ஒன்று. ஜெனீவாவில் உள்ள LHC பூமிக்கு 100 மீட்டர் அடியில், 27 கி.மீ. நீளமுள்ள ஒரு வட்டச் சுரங்கம். இந்த சுரங்கத்தின் விட்டம் 3 மீட்டர்கள். ஜூரா மலைகளுக்கடியே 1 மில்லியன் டன்கள் பாறைகளைத் தோண்டி எடுத்து 1989 –ல் உருவாக்கப்பட்ட சுரங்கம் இது. LHCதான் புதிது, சுரங்கம் அல்ல. ஆனால், அணுத்துகளை வேகப்படுத்தும் எந்திரங்களின் ராட்சசத்தனத்திற்கு வெறும் பரப்பளவு, image51அல்லது நீளம் மட்டும் ஒரு அளவுகோல் அல்ல.ஒரு சாதாரண மின்கலன் (டார்ச் விளக்கிற்கு உபயோகப்படுத்துவது –D, AA, AAA போன்ற அளவுகளில் வருவது) 1.5 வோல்ட் (volts) மின்னழுத்தம் தரும் சக்தி உள்ளது. அதாவது, ஒவ்வொரு எலெக்ட்ரானுக்கும் 1.5 வோல்ட் மின்னழுத்தம் தரும்.ஒரு அணுத்துகளான எலெக்ட்ரான் அளவில்இது ஒரு 1.5 எலெக்ட்ரான் வோல்ட் (1.5 Electron volt or eV) என்று சொல்லப்படுகிறது. நம்முடைய பழைய டிவியில் 20,000 வோல்ட் அழுத்தம் தரப்படுவதால், இதை 20 KeV என்கிறார்கள். இதைப்போலவே 10 லட்சம் வோல்ட் அழுத்தம் தரப்பட்டால், அதுமில்லியன் eVஅல்லது MeVஎன்று சொல்லப்படுகிறது.ஓராயிரம் MeV ஒரு GeV ஆகிறது. ஓராயிரம் GeV ஒரு TeV ஆகிறது.

LHC –ல் மின்னழுத்தம் 7TeV வரை அணுத்துகள்களை அழுத்தும் சக்தி கொண்டவை. அதாவது, 700,000 கோடி மின்கலன்களின் அழுத்தம் என்றால் பாருங்களேன்! (2Gஊழலை விட சொஞ்சம் பெரிய எண்!)

image6

லொரன்ஸின் முதல் சைக்லோட்ரான் வெறும் 80keV சக்தி கொண்டது. இவரது அடுத்த கட்ட முயற்சி, அதை எப்படியாவது 1 MeV வரை சக்தி கூட்டுவது. படிப்படியாக மின்னழுத்தத்தைச் சிலபல MeV -களாக உயர்த்த முயற்சி செய்து வெற்றியும் கண்டார்கள். 1950 –களில் GeV–யைத் தொட்டுவிட்டார்கள். இரண்டு பிரச்னைகள் இவர்களை மிரட்டின. இப்படிப்பட்ட ஏராளமான மின்னழுத்தத்திற்கு தேவை, மிகப் பெரிய காந்தங்கள். ராட்சச காந்தங்கள் தயாரிப்பதில் சிக்கல்கள் ஏராளம். அப்படியே காந்தங்களைத் தயாரித்தாலும், அணுத்துகள் மோதல்களில் ஏற்படும் தாற்காலிக துகள் ஆராய்ச்சிக்கு மிகப் பெரியதிறனுணர்த்திகள் (Detectors) தேவைப்பட்டன. மிகப் பெரிய திறனுணர்த்திகளையும், ஏராளமான மின்னழுத்தம் தரும் காந்தங்களையும் ஒரு சர்வகலாசாலையில் கட்டுவது கூட சிரமமாகியது. 1980 –களில், ஆராய்ச்சிசாலை பூமியடியே மாறியது! இன்று CERN – ன் LHC –ல் சுரங்கத்துள் 4 ராட்சச குகைகள் (caverns) உண்டு. இந்தக் கோவில் அளவு குகைகளில், உலகின் மிகப் பெரிய திறனுணர்த்திகள்(particle detectors) நிறுவப்பட்டுள்ளன. ஆக, ராட்சசத்தனம் இத்துறையில், பரப்பளவு, மின்னழுத்தம், காந்தசக்தி மற்றும் திறனுணர்த்திகளின் திறன் கொண்டு அளவிடப்படுகிறது.

பெரிய அணுத்துகள் வேகப்படுத்தும் எந்திரங்கள் ஏன் தேவைப்பட்டன?

மிகவும் சுவாரசியமான கேள்வி. தேவை இல்லாமல், யாரும் கஷ்டப்பட மாட்டார்கள். முன்னம் சொன்னது போல, அணுக்கருவை தகர்த்தால்தான் அதில் உள்ள சக்திகளின் ரகசியங்களைப் புரிந்து கொள்ளலாம். அணுக்கருவில் உள்ள அபார,”பலமான சக்திக்கு” பையான் (pion) என்ற அணுத்துகள் காரணம் என்றும் பார்த்தோம். அணுக்கருவை பையான் சக்தியிலிருந்து விடுவிக்க குறைந்தபட்சம் 150 MeV சக்தி தேவைப்படும் என்று கணக்கிடப்பட்டது. அல்லது, பையானை சரியாக ஆராய, இத்தகைய சக்தி வாய்ந்த ஒரு கருவி தேவைப்பட்டது. ஆரம்பத்தில், அண்டக்கதிர்களை ஆராயத் தொடங்கிய விஞ்ஞானிகள், அணுவின் அடிப்படை கட்டுமானத்தைப் பற்றிய புதிய, ஆனால் குழப்பமான விஷயங்களை அறியத் தொடங்கினர். ஏன் அண்டக்கதிரை உலகிலேயே மனிதனால் உருவாக்க முடியாது என்ற கேள்விக்குப் பதில் காணும் முயற்சியாக அணுத்துகளை வேகப்படுத்தும்சில பெரிய எந்திரங்கள் (particle accelerators) உருவாக்கப்பட்டன. ஆனால், மிக முக்கியமாக எதிர் மின்னூட்ட அணுத்துகள்களை (anti-particles) ஆராய இன்னொரு விஞ்ஞானக் குழு துடித்தது. இது போன்ற அணுத்துகள்களை உருவாக்க சில GeV சக்தி தேவைப்பட்டது. இப்படித்தான், படிப்படியாக சக்தி வாய்ந்த அணுத்துகளை வேகப்படுத்தும் எந்திரங்கள், உலகில் 1,000 வரை இன்று உள்ளன.

அத்துடன், குறிப்பாக, 2003 காலகட்டத்தில் ஃபெர்மி ஆராய்ச்சிசாலைக்குநிதி ஒதுக்கலில் பெரும் குறைப்புகள் நேர்ந்தன (budget cuts). பல அடிப்படைக் கேள்விகளுக்குப் பதில் காண, மிகப் பெரிய எந்திரங்கள் தேவையாக இருந்தன. அமெரிக்க முதலீடு இந்தத் துறையில் குறைந்தவுடன், CERN இதை ஒரு சவாலாக எடுத்துக் கொண்டு பன்னாட்டு கூட்டு முயற்சியாக LHC மற்றும் அதன் திறனுணர்த்திகள் பற்றிய திட்டத்தை உலகிற்கு அறிவித்தது.

சொல்வனம் – ஜனவரி 2013

Advertisements

மறுமொழியொன்றை இடுங்கள்

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / மாற்று )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / மாற்று )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / மாற்று )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / மாற்று )

Connecting to %s