Read Time:35 Minute

ഡോ.രാജീവ് പാട്ടത്തിൽ

യു.കെ.യിലെ റഥർഫോർഡ് ആപ്പിൾട്ടൺ ലബോറട്ടറിയിൽ പ്രൊഫസർ

പ്ലാസ്മാ ആക്സിലറേറ്റർ ഡിവിഷൻ മേധാവി

ഇരുപതാം നൂറ്റാണ്ടിൽ സയൻസിലുണ്ടായ ഏറ്റവും വലിയ പുരോഗതിയെന്താണെന്ന ചോദ്യത്തിന് പല ഉത്തരങ്ങളുണ്ടാവാമെങ്കിലും നമ്മുടെ പ്രപഞ്ചത്തെ രൂപപ്പെടുത്തുന്ന അടിസ്ഥാനഘടകങ്ങളെക്കുറിച്ചുണ്ടായ അറിവാണ് അതിലൊന്നെന്ന് തീർച്ചയായും പറയാം. നമ്മുടെ പ്രപഞ്ചത്തെയും, നാം ജീവിക്കുന്ന ഭൂമിയേയും നമ്മളെത്തന്നെയും നിർമ്മിക്കുന്ന മൗലികകണങ്ങൾ എല്ലാം ഒന്നാണെന്ന കണ്ടെത്തലിനേക്കാളും അടിസ്ഥാനമായതതെന്തുണ്ട്? ചുരുങ്ങിയത് ഭൗതികശാസ്ത്രത്തിലെങ്കിലും മറ്റൊന്ന് ഇല്ല. ഈ ശാസ്ത്രവിപ്ലവം സാധ്യമാക്കിയത് പാർട്ടിക്കിൾ ആക്സിലറേറ്ററുകൾ എന്നറിയപ്പെടുന്ന കണികാ ത്വരകങ്ങളാണ്.

പ്രപഞ്ചത്തിന്റെ സ്റ്റാൻഡേർഡ് മോഡൽ

ചരിത്രത്തിലെ ഏറ്റവും വിജയകരമായ ശാസ്ത്രീയോപകരണങ്ങളിൽ ഒന്നാണ് പാർട്ടിക്കിൾ ആക്സിലറേറ്ററുകൾ. ഇവയുടെ പേരു കേൾക്കുമ്പോൾ ഇവയുടെ വലിപ്പമായിരിക്കും ആദ്യം ഓർമ്മ വരിക. എന്നാൽ സ്മാർട്ട് ടിവികൾ വരുന്നതിനു മുൻപുണ്ടായിരുന്ന പഴയ പെട്ടി ടെലിവിഷനിലെ കാഥോഡ് റേ ട്യൂബുകൾ മുതൽ ആശുപത്രിയികളിലെ സിടി സ്കാനറുകളിലും മെഡിക്കൽ എക്സ്-റേയിലും മാരകമായ ട്യൂമറുകളുടെ റേഡിയോ തെറാപ്പിയിലും വരെ ഈ ആക്സിലറേറ്ററുകൾ നമ്മുടെ ദൈനംദിന ജീവിതത്തിൽ ഇടപ്പെടുന്നുണ്ട്. അതുകൂടാതെ, ഭക്ഷ്യവസ്തുക്കളെ സ്റ്റെറിലൈസ് ചെയ്യുന്നതിനും റേഡിയോ ആക്ടീവ് ഐസോടോപ്പുകൾ ഉൽപ്പാദിപ്പിക്കുന്നതിനും നിരവധി മെഡിക്കൽ പരിശോധനകൾക്കും ചികിത്സകൾക്കും ആക്സിലറേറ്ററുകൾ വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്നു.

വസ്തുക്കളുടെ ആന്തരിക ഘടന മനസ്സിലാക്കാനാണ് ഭൗതികശാസ്ത്രത്തിൽ ആക്സിലറേറ്ററുകളെ ഉപയോഗിക്കുന്നത്. പ്രകാശവേഗതയുടെ തൊട്ടടുത്തുവരെയുള്ള ഊർജ്ജത്തിലേക്ക് കണങ്ങളെ ആക്സിലറേറ്റ് ചെയ്യിക്കുന്ന ഭീമാകാരങ്ങളായ മെഷീനുകളാണ് ശാസ്ത്രം ഇതിനായുപയോഗിക്കുന്നത്.

കുറച്ചുകൂടി വ്യക്തമായി പറഞ്ഞാൽ, നമുക്കറിയുന്ന പ്രപഞ്ചത്തിന്റെ എല്ലാ ബിൽഡിങ്ങ് ബ്ലോക്കുകളേയും – ദ്രവ്യത്തേയും അവയ്ക്കിടയിൽ പ്രവർത്തിക്കുന്ന ബലങ്ങളേയും – ഒരൊറ്റ മോഡലിന്റെ കുടക്കീഴിലാക്കി, ചാർജ്, സ്പിൻ, മാസ് തുടങ്ങിയ ചില പൊതു സ്വഭാവങ്ങളുള്ള മൗലികകണങ്ങളുടെ അടിസ്ഥാനത്തിൽ വിശദീകരിക്കുന്ന സ്റ്റാൻഡേർഡ് മോഡൽ എന്ന, ദൃശ്യപ്രപഞ്ചത്തിന്റെ ഏറ്റവും നല്ല മോഡലിനെ പരീക്ഷണങ്ങൾക്ക് വിധേയമാക്കാനാണ് പാർട്ടിക്കിൾ ആക്സിലറേറ്ററുകളെ പ്രധാനമായും ശാസ്ത്രലോകം ഉപയോഗിക്കുന്നത്. ഈ കണങ്ങളിൽ ഇലക്ട്രോണുകളും പ്രകാശത്തിന്റെ കണികകളായ ഫോട്ടോണുകളും ഒഴിച്ച് മറ്റുള്ളവയൊന്നും സ്വതന്ത്രമായി നിലനിൽപ്പുള്ള, നമ്മുടെ ദൈനംദിന ജീവിതത്തിൽ പരിചയപ്പെടാൻ സാധ്യതയുള്ള കണങ്ങളല്ല. പ്രപഞ്ചോൽപ്പത്തിയുടെ – ബിഗ് ബാങ്ങിന്റെ – ഏതാനും സെക്കന്റുകൾക്കിപ്പുറം മാത്രമാണ് ഇത്തരം കണങ്ങൾ നിലനിന്നിരുന്നത് എന്നാണ് ശാസ്ത്രം പറയുന്നത്. അതുകൊണ്ടു തന്നെ ബിഗ് ബാങ്ങിന്റെ തൊട്ടടുത്തുവരെയുള്ള സാഹചര്യങ്ങൾ തീരെച്ചെറിയ സമയത്തേക്കെങ്കിലും പരീക്ഷണശാലകളിൽ പുനഃസൃഷ്ടിക്കാൻ കഴിഞ്ഞാലേ ഇത്തരം കണങ്ങളെ സൃഷ്ടിക്കാൻ പറ്റൂ. ഇലക്ട്രോണുകൾ, പ്രോട്ടോണുകൾ തുടങ്ങിയ ഇലക്ട്രിക് ചാർജ്ജുള്ള കണങ്ങളെ പ്രകാശത്തിന്റെ വേഗതയോളം ത്വരിതപ്പെടുത്തി അവയെ കൂട്ടിയിടിപ്പിച്ചാണ് ഇത്തരം കണ്ടീഷനുകൾ ഉണ്ടാക്കുന്നത്. ഈ കൂട്ടിയിടികളുടെ അവശിഷ്ടങ്ങൾ വിശകലനം ചെയ്യുന്നതിലൂടെയാണ് പ്രപഞ്ചമുണ്ടാക്കിയിരിക്കുന്ന അടിസ്ഥാനകണങ്ങളേയും അവയ്ക്കിടയിൽ പ്രവർത്തിക്കുന്ന ബലങ്ങളേയും ശാസ്ത്രജ്ഞർ പരിശോധിക്കുന്നതും സ്റ്റാൻഡേർഡ് മോഡലിനെ ടെസ്റ്റ് ചെയ്യുന്നതും. പക്ഷേ ഇത്രയും വേഗതയിലും ഊർജ്ജത്തിലും കണികകളെ ആക്സിലറേറ്റ് ചെയ്യാൻ കിലോമീറ്ററുകൾ നീളമുള്ള ആക്സിലറേറ്ററുകൾ ആവശ്യമാണ്.

***ഏൺസ്റ്റ് ലോറൻസ് ഡിസൈൻ ചെയ്ത കയ്യിലൊതുങ്ങുന്ന ആദ്യ സൈക്ളോട്രോൺ***

1930ൽ ഏൺസ്റ്റ് ലോറൻസ് ഡെവലപ്പ് ചെയ്ത കയ്യിലൊതുങ്ങുന്ന ആദ്യത്തെ സൈക്ലൊട്രോണിനു ശേഷം ആക്സിലറേറ്റർ സാങ്കേതികവിദ്യ അതിവേഗം വികസിച്ചു. കണങ്ങളുടെ ഊർജ്ജം കൂട്ടേണ്ടതിനനുസരിച്ച് അതിനാവശ്യമായ ആക്സിലറേറ്ററുകളുടെ വലിപ്പവും കൂടി വന്നു. ഇവയുപയോഗിച്ച് ആറ്റോമിക് ന്യൂക്ലിയസിന്റെ ഘടനയും നൂറുകണക്കിന് സബ് ന്യൂക്ലിയർ കണങ്ങളുമെല്ലാം കണ്ടെത്തിയതോടെ ആക്സിലറേറ്ററുകൾ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള ഹൈ-എനർജി ഫിസിക്സിന്റെ യുഗത്തിന് തുടക്കമായി.

കഴിഞ്ഞ നൂറ്റാണ്ടിന്റെ അവസാന പാദത്തിൽ ആക്സിലറേറ്റർ ബീമുകളുടെ ഊർജ്ജം അതിവേഗം വർദ്ധിച്ചതിനാൽ, സ്റ്റാൻഡേർഡ് മോഡൽ പ്രവചിച്ച 17 അടിസ്ഥാന കണങ്ങളിൽ ഒന്നൊഴികെ മറ്റെല്ലാം 1990-കളുടെ അവസാനത്തോടെ പരീക്ഷണങ്ങളിൽ കണ്ടെത്തിയിരുന്നു. ദീർഘകാലമായി ശാസ്ത്രലോകം തിരഞ്ഞുകൊണ്ടിരുന്ന ഗോഡ് പാർട്ടിക്കിൾ എന്ന ഓമനപ്പേരുള്ള, (വസ്തുക്കൾക്ക് മാസ് – പിണ്ഡം – എന്ന സ്വഭാവം കൊടുക്കുന്ന കണികയാണു ഹിഗ്സ് ബോസോൺ) ഹിഗ്സ് ബോസോൺ കണികയെ ജനീവയിലെ ലാർജ് ഹാഡ്രോൺ കൊളൈഡർ (LHC) 2012-ൽ കണ്ടെത്തിയതോടെയാണ് ലോകത്തിന്റെ ശ്രദ്ധ വീണ്ടും പാർട്ടിക്കിൾ ആക്സിലറേറ്ററുകളിലേക്ക് തിരിയുന്നത്.

സ്റ്റാൻഡേർഡ് മോഡലിനപ്പുറത്തെ ഫിസിക്സ്

***ജനീവയ്ക്കടുത്തുള്ള സേൺ(CERN) ലാർജ്ജ് ഹാഡ്രോൺ കൊളൈഡർ***

പാർട്ടിക്കിൾ ആക്സിലറേറ്ററുകളിലെ രാജാവാണ് ജനീവയ്ക്ക് സമീപമുള്ള സേൺ(CERN) – ഫ്രാൻസിനും സ്വിറ്റ്‌സർലാന്റിലുമായി 27 കിലോമീറ്റർ ചുറ്റളവിൽ വ്യാപിച്ചു കിടക്കുന്ന എൽ.എഛ്.സി (LHC). രണ്ട് പ്രോട്ടോണുകളെ ഏഴ് ട്രില്യൺ ഇലക്‌ട്രോൺ വോൾട്ട് (TeV) ഊർജ്ജത്തിൽ ആക്സിലറേറ്റ് ചെയ്ത് കൂട്ടിയിടിപ്പിക്കുന്ന ഈ കൊളൈഡർ ഇതുവരെ നിർമ്മിച്ചതിൽവെച്ച് ഏറ്റവും വലുതും സങ്കീർണ്ണവും ഒരു പക്ഷേ ഏറ്റവും ചെലവേറിയതുമായ ശാസ്ത്ര ഉപകരണമാണ്. ഹിഗ്സ് ബോസോണിന്റെ കണ്ടുപിടുത്തത്തിനുശേഷം 10 വർഷം കഴിഞ്ഞെങ്കിലും എൽ.എഛ്.സി.-യിൽ നിന്നോ മറ്റേതെങ്കിലും ആക്സിലറേറ്ററിൽ നിന്നോ ബ്രേക്ക് ത്രൂ എന്നു പറയാവുന്ന കണ്ടുപിടുത്തങ്ങളോ പുതിയ മൗലികകണങ്ങളോ ഒന്നും പുറത്തുവന്നിട്ടില്ല. പ്രപഞ്ചത്തിലെ എല്ലാ അടിസ്ഥാന കണങ്ങളുംനമ്മൾ കണ്ടെത്തിയോ? ഇല്ല എന്നു തന്നെ പറയേണ്ടി വരും.

ഹിഗ്സ് ബോസോൺ കണ്ടെത്തിയതോടെ സ്റ്റാൻഡേർഡ് മോഡൽ മുഴുവനായി എന്നാണ് ശാസ്ത്രലോകം അനുമാനിച്ചിരുന്നതെങ്കിലും കഴിഞ്ഞ ദശകങ്ങളിൽ ഉയർന്നുവന്നിരിക്കുന്ന പുതിയ വിവരങ്ങൾ അനുസരിച്ച് പ്രപഞ്ചത്തിന്റെ ഭൂരിഭാഗവും നിറഞ്ഞിരിക്കുന്നു എന്നനുമാനിക്കപ്പെടുന്ന, എന്നാൽ ഇതുവരെ കണ്ടെത്തിയിട്ടില്ലാത്ത ഡാർക്ക് മാറ്റർ, ഡാർക്ക് എനർജി എന്നിവ കണികാ ഭൗതികശാസ്ത്രത്തിന്റെ സ്റ്റാൻഡേർഡ് മോഡലിൽ ഉൾപ്പെടുന്നില്ല. സ്റ്റാൻഡേർഡ് മോഡലിന്റെ ഒരു എക്സ്റ്റെൻഷനായ സൂപ്പർസിമെട്രി നമുക്കിപ്പോൾ അറിയാവുന്നതിനേക്കാൾ കൂടുതൽ കണങ്ങളെ മുന്നോട്ടുവെക്കുന്നു. ഇവയുമായി ബന്ധപ്പെട്ട, എന്നാൽ ഇതുവരെ ഭൗതികശാസ്ത്രജ്ഞർക്ക് ഉത്തരം ലഭിക്കാത്ത മറ്റ് അടിസ്ഥാനപരമായ ചോദ്യങ്ങളുമുണ്ട്. ഉദാഹരണത്തിന്, നാം ജീവിക്കുന്ന സ്‌പേസിന് സ്ട്രിംഗ് തിയറി ഒക്കെ കണക്കാക്കുന്നതുപോലെ മൂന്നിൽ കൂടുതൽ മാനങ്ങൾ (dimensions) ഉണ്ടോ? ഡാർക്ക് മാറ്ററിനെയൊക്കെ ഒഴിച്ചു നിർത്തിയാലും നാം ഇതുവരെ മനസ്സിലാക്കിയിട്ടുള്ള പ്രപഞ്ചത്തിൽത്തന്നെ പോസിട്രോൺ തുടങ്ങിയ പ്രതിദ്രവ്യത്തെക്കാളും (ആന്റിമാറ്റർ) വളരെക്കൂടുതൽ ദ്രവ്യം (മാറ്റർ) ഉള്ളതെന്തുകൊണ്ട്? ഈ അസന്തുലിതാവസ്ഥ പ്രപഞ്ചത്തിന്റെ തുടക്കം മുതൽക്കേ ഉണ്ടായിരുന്നോ?

ലാർജ് ഹാഡ്രോൺ കൊളൈഡറിനപ്പുറം ഇനിയെന്ത്?

ഇത്തരം ചില ചോദ്യങ്ങൾക്കെങ്കിലും ഉത്തരം നൽകാൻ ലാർജ് ഹാഡ്രോൺ കൊളൈഡറിനേക്കാൾ ശക്തമായ ഒരു പാർട്ടിക്കിൾ ആക്സിലറേറ്റർ – കൊളൈഡർ ആവശ്യമായി വരുമെന്നാണ് ശാസ്ത്രലോകം കരുതുന്നത്.

***ഇന്റർനാഷണൽ ലീനിയർ കൊളൈഡറിന്റെ മാതൃക***

ഇതിന് ശാസ്ത്രലോകത്തിനു മുന്നിൽ പല പ്ലാനുകളുമുണ്ട്. ഇതിലൊന്ന് 250 ബില്യൺ (ഗിഗാ) ഇലക്ട്രോൺ വോൾട്ട് (GeV) ഊർജ്ജത്തിൽ (1GeV = പ്രകാശ വേഗതയുടെ 99.999987%) ഇലക്ട്രോണുകളേയും അതിന്റെ ആന്റിമാറ്ററായ പോസിട്രോണുകളേയും കൂട്ടിയിടിപ്പിക്കാൻ പദ്ധതിയിടുന്ന ഇന്റർനാഷണൽ ലീനിയർ കൊളൈഡർ (ILC) ആണ്. എൽ.എഛ്.സി. യുടെ അത്ര എനർജിയില്ലെങ്കിലും ഇലക്ട്രോൺ-പോസിട്രോൺ കൊളീഷൻ എൽ.എഛ്.സി.യിലെ പ്രോട്ടോൺ-പ്രോട്ടോൺ കൊളീഷനുകളേക്കാൾ വളരെ ശുദ്ധമായ ഡാറ്റ ഉൽപ്പാദിപ്പിക്കുമെന്നാണ് പ്രതീക്ഷിക്കുന്നത്. പക്ഷേ, 20 കിലോമീറ്ററിലധികം ദൈർഘ്യമുള്ള ILC യ്ക്ക് 10 ബില്ല്യൺ ഡോളറിലധികം ചെലവ് പ്രതീക്ഷിക്കുന്നു. അതുകൊണ്ടുതന്നെ ഇതുവരെ ഒരു രാജ്യവും ഇതിന് ആതിഥേയത്വം വഹിക്കാൻ തയ്യാറായിട്ടില്ല. ഫ്യൂച്ചർ സർക്കുലർ കൊളൈഡർ എന്ന് വിളിക്കുന്ന 100 കിലോമീറ്റർ ചുറ്റളവുള്ള 100 TeV പ്രോട്ടോൺ-പ്രോട്ടോൺ കൊളൈഡറും സേണിന്റെ ഭാവി പരിപാടികളിൽപ്പെടും. എങ്കിലും അത്തരമൊരു യന്ത്രത്തിന്റെ ചെലവ് ഐ.എൽ.സി.യുടേതിനെ മറികടക്കുമെന്നതുകൊണ്ട് ഇതിന്റേയും ഭാവി അനിശ്ചിതമാണ്. 2035-ന് ശേഷം എൽ.എഛ്.സി.യുടെ പ്രവർത്തനം നിർത്തുമ്പോൾ അതിനപ്പുറമെന്ത് എന്നത് പാർട്ടിക്കിൾ ഫിസിക്സിൽ ഇപ്പോൾ ഒരു വലിയ ചോദ്യചിഹ്നമാണ്.

LHC ഉൾപ്പെടെ ഇന്നു നിലവിലുള്ള ആക്സിലറേറ്റർ – കൊളൈഡറുകളെല്ലാം പതിറ്റാണ്ടുകൾ പഴക്കമുള്ള സാങ്കേതികവിദ്യയെ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ളതാണ്. ഇതാണ് അവയെ കിലോമീറ്ററുകൾ വലിപ്പമുള്ള താങ്ങാനാവാത്ത ചെലവുള്ള ഇൻഫ്രാസ്ട്രക്ച്ചറുകളാക്കുന്നത്. ഇവയ്ക്കുപകരം താരതമ്യേന വലുപ്പവും ചെലവും കുറഞ്ഞ ആക്സലിലറേറ്ററുകൾ ഉണ്ടാക്കാനാവുമോ എന്ന് ശാസ്ത്രലോകം ചിന്തിച്ചുതുടങ്ങിയിട്ട് വളരെക്കാലമായി. ഈ പുതിയ വഴികളെക്കുറിച്ചറിയാൻ നിലവിലുള്ള ആക്സിലറേറ്ററുകൾ എങ്ങനെയാണ് പ്രവർത്തിക്കുന്നതെന്നറിയേണ്ടത് ആവശ്യമാണ്.

ആക്സിലറേറ്ററുകൾ രണ്ടുരൂപങ്ങളിലാണ് വരുന്നത്. മാഗ്നെറ്റിക് ഫീൽഡുകളുടെ സഹായത്തോടെ വൃത്താകൃതിയിൽ കണികകളെ ആക്സിലറേറ്റ് ചെയ്യിക്കുന്നവ (സിൻക്രോട്രോൺ) അല്ലെങ്കിൽ നേർ-രേഖയിൽ ആക്സിലറേറ്റ് ചെയ്യിക്കുന്നവ (ലിനാക്ക്). ഇതിൽ രണ്ടിലും ചെയ്യുന്നത് ഒരു കാവിറ്റിയിൽ റേഡിയോ തരംഗങ്ങളോ മൈക്രോവേവുകളോ ഉപയോഗിച്ച് ഇലക്ട്രിക് ഫീൽഡുകൾ ഉണ്ടാക്കുകയാണ്. ഈ ഫീൽഡുകളാണ് ഇലക്ട്രോണും പ്രോട്ടോണും പോലുള്ള കണികകൾക്ക് ഊർജ്ജം കൊടുത്ത് കണികകളെ ആക്സിലറേറ്റ് ചെയ്യിക്കുന്നത്.

ഇങ്ങനത്തെ ഒരു കാവിറ്റിയിൽ നിന്ന് കണികകൾക്ക് എത്രത്തോളം ഊർജ്ജം കിട്ടും എന്നത് ആ കാവിറ്റിയിലേക്ക് എത്ര റേഡിയോ ഫ്രീക്വൻസി പവർ പമ്പ് ചെയ്യാൻ കഴിയും എന്നതിനെ ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നു. എന്നാൽ ഇതിന് ഒരു പരിധിയുണ്ട്. കാവിറ്റിയിലെ റേഡിയോ തരംഗങ്ങളുടെ പവർ ഒരു പരിധിയിൽ കൂടിയാൽ അവയിൽ ഇലക്ട്രിക് ബ്രേക്ക്ഡൌൺ ഉണ്ടാകും. ഇതാണ് ഒരു ആക്സിലറേറ്റർ കാവിറ്റിയിൽ നിന്ന് ഒരു കണികയ്ക്ക് കിട്ടാവുന്ന ഊർജ്ജത്തെ പരിമിതപ്പെടുത്തുന്നത്. ചെമ്പുകൊണ്ടുണ്ടാക്കുന്ന സാധാരണ കാവിറ്റികളിൽ ഇലക്ട്രോണുകൾ ഒരു മീറ്റർ ദൂരത്തിൽ ആക്സിലറേറ്റ് ചെയ്യുമ്പോൾ കിട്ടാവുന്ന പരമാവധി ഊർജ്ജം 20 ദശലക്ഷം ഇലക്ട്രോൺ വോൾട്ടിനും 50 ദശലക്ഷം ഇലക്ട്രോൺ വോൾട്ടിനും ഇടയിലാണ് (2 MeV – 5 MeV). അതുകൊണ്ടു തന്നെ ടെറാ ഇലക്ട്രോൺ വോൾട്ട് എനർജിയിലേക്ക് (TeV = 1000,000 MeV) കണികകളെ ത്വരിതപ്പെടുത്താൻ ആയിരക്കണക്കിന് കാവിറ്റി സ്റ്റേജുകൾ ആവശ്യമാണ്. ഇത്തരം ആക്സിലറേറ്ററുകളുടെ വലിപ്പവും അവ പ്രവർത്തിപ്പിക്കാനുള്ള ചെലവും വളരെക്കൂടുന്നു എന്നതാണ് അതിന്റെ ഫലം.

“ന്യൂജെൻ” ആക്സിലറേറ്ററുകൾ

പുതിയ ടെക്‌നോളജികൾ ഉപയോഗിച്ച് കാവിറ്റികളുടെ വലിപ്പം കുറയ്ക്കുന്നതുവഴി ആക്സിലറേറ്ററുകളുടെ വലിപ്പവും അവയുണ്ടാക്കാനുള്ള ചെലവും കുറയ്ക്കാനുള്ള ഗവേഷണങ്ങളാണ് നടന്നു വരുന്നത്. കഴിഞ്ഞ രണ്ടു ദശകങ്ങളിൽ ഈ രംഗത്ത് വിപ്ലവകരമായ മുന്നേറ്റങ്ങൾ ഉണ്ടായിട്ടുണ്ട്. അതീവ ശക്തിയുള്ള ലേസറുകളോ കണികകളോ കൊണ്ടുണ്ടാക്കുന്ന പ്ലാസ്മകൾ, ടിവി റിമോട്ടുകളിൽ ഉപയോഗിക്കുന്ന ഇൻഫ്രാറെഡ് തരംഗങ്ങളുടേയും, മൈക്രോവേവ് ഓവനുകളിൽ ഉപയോഗിക്കുന്ന മൈക്രോവേവ് തരംഗങ്ങളുടേയും ഇടയ്ക്ക് ടെറാഹെട്സ് (THz) എന്നറിയപ്പെടുന്ന വൈദ്യുതകാന്തിക തരംഗങ്ങളുണ്ട്. അവ ഉപയോഗിച്ച് റേഡിയോ ഫ്രീക്വൻസി ഉപയോഗിക്കുന്ന സാധാരണ ആക്സിലറേറ്റർ കാവിറ്റികളിലേതിനേക്കാളും ആയിരം മടങ്ങുവരെയുള്ള ഇലക്ട്രിക് ഫീൽഡുകൾ ഉൽപ്പാദിപ്പിക്കുന്ന പുതിയതരം “കാവിറ്റികൾ” ഉണ്ടാക്കാൻ സാധിക്കും. ഇത്തരം “മൈക്രോ കാവിറ്റികൾ” ഉപയോഗിച്ച് കുറഞ്ഞ ദൂരത്തിൽ ഉയർന്ന ഊർജ്ജത്തിലേക്ക് കണികകളെ ആക്സിലറേറ്റ് ചെയ്യുക, അതുവഴി ആക്സിലറേറ്ററുകളുടെ വലിപ്പവും വിലയും കുറയ്ക്കുക – ഇതൊക്കെയാണ് ഈ രംഗത്തെ ഗവേഷണങ്ങൾ ലക്ഷ്യം വെയ്ക്കുന്നത്.

‘പുതിയ തലമുറ’യിലെ ആക്സിലറേറ്ററുകളിൽ ഏറ്റവും മുൻപന്തിയിൽ നിൽക്കുന്നതാണ് പ്ലാസ്മാ ആക്സിലറേറ്ററുകൾ. പുതിയ തലമുറയാണെങ്കിലും ആശയം പഴയതാണ്. ലോസ് ഏഞ്ചൽസിലെ കാലിഫോർണിയ സർവകലാശാലയിലെ ജോൺ എം ഡോസനാണ് 1970-കളിൽ ശക്തിയേറിയ ലേസർ പൾസുകൾ കൊണ്ടോ അല്ലെങ്കിൽ ഇലക്ട്രോൺ ബീം കൊണ്ടോ ഉണ്ടാക്കുന്ന ഒരു ‘പ്ലാസ്മാ ആക്സിലറേറ്റർ’ എന്ന ആശയം ആദ്യമായി മുന്നോട്ടുവെയ്ക്കുന്നത്. ഇന്റഗ്രേറ്റഡ് സർക്യൂട്ടുകൾ ഇലക്‌ട്രോണിക്സിൽ വിപ്ലവം സൃഷ്ടിച്ചപോലെ ഭീമാകാരങ്ങളായ ആക്സിലറേറ്ററുകളെ ചെറുതാക്കാനുള്ള സാധ്യത ഇത് തുറന്നു തന്നെങ്കിലും ഇതിനാവശ്യമായ ഹൈ പവർ ലേസറുകൾ ലഭ്യമാക്കുന്നതിന് പിന്നേയും മൂന്നു ദശാബ്ദങ്ങളോളം കാത്തിരിക്കേണ്ടിവന്നു എന്നുമാത്രം.

പ്ലാസ്മാ ആക്സിലറേറ്ററുകൾ

ഖരം, ദ്രാവകം, വാതകം എന്നീ ദ്രവ്യത്തിന്റെ മൂന്ന് അവസ്ഥകൾ നമുക്ക് പരിചിതമാണെങ്കിലും അതിന്റെ നാലാമത്തെ അവസ്ഥയായ പ്ലാസ്മയെ നമ്മുടെ ദൈനംദിന ജീവിതത്തിൽ സാധാരണ കാണാറില്ല. എന്നാൽ നമ്മുടെ ദൃശ്യപ്രപഞ്ചത്തിന്റെ 99 ശതമാനവും പ്ലാസ്മ അവസ്ഥയിലാണ് സ്ഥിതി ചെയ്യുന്നത് എന്നാണ് അനുമാനിക്കപ്പെടുന്നത്. നക്ഷത്രങ്ങളും വലിയ ഗ്രഹങ്ങളുടെ ഉൾഭാഗങ്ങളും ഒക്കെ ഇതിൽപ്പെടും. അടിസ്ഥാനപരമായി ഇലക്ട്രോണുകളുടെയും അയോണുകളുടെയും തുല്യസാന്ദ്രതയുള്ള അയണീകരിച്ച വാതകമാണ് പ്ലാസ്മ എന്ന് എളുപ്പത്തിൽ പറയാം. ഒരു സാധാരണ ഫ്ലൂറസെന്റ് ട്യൂബിലെന്നപോലെ ഒരു വാതകത്തിലൂടെ വൈദ്യുതി കടത്തിവിട്ട് ശാസ്ത്രജ്ഞർക്ക് ലബോറട്ടറികളിൽ എളുപ്പത്തിൽ പ്ലാസ്മ ഉണ്ടാക്കാൻ കഴിയും. അല്ലെങ്കിൽ അതീവ ശക്തിയുള്ള ലേസറുകൾ ഉപയോഗിച്ചും പ്ലാസ്മ ഉണ്ടാക്കാം.

***ലേസർ പ്ലാസ്മയിലുണ്ടാക്കുന്ന വേക്ക് ഫീൽഡ്***

ഇനി ഈ പ്ലാസ്മയിൽ എങ്ങനെയാണ് കണങ്ങളെ ആക്സിലറേറ്റ് ചെയ്യുന്നത് എന്ന് നോക്കാം. ജലത്തിലൂടെ ഒരു ബോട്ടോ കപ്പലോ ഒക്കെ പോകുമ്പോൾ അവയുടെ പിന്നിൽ രൂപപ്പെടുന്ന തരംഗങ്ങളെ ശ്രദ്ധിച്ചിട്ടുണ്ടോ? ബോട്ടിരിക്കുന്ന സ്ഥലത്തുനിന്ന് മാറ്റപ്പെടുന്ന ജലം ബോട്ടു നീങ്ങുമ്പോൾ അവിടേക്ക് തിരിച്ചുവരുന്നതുകൊണ്ടുണ്ടാകുന്ന തരംഗങ്ങളെയാണ് വേക്ക് (wake) എന്നുവിളിക്കുന്നത്. ഇതുപോലെ പ്ലാസ്മയിലൂടെ ശക്തിയേറിയ ഒരു ലേസർ പൾസ് കടന്നുപോവുമ്പോൾ അതിന്റെ റേഡിയേഷൻ പ്രഷർ കാരണം പ്ലാസ്മയിലെ താരതമ്യേന ഭാരംകുറഞ്ഞ കണികകളായ ഇലക്‌ട്രോണുകൾ ലേസർ കടന്നുപോവുന്ന വഴിയിൽനിന്ന് പുറത്തേക്ക് വകഞ്ഞുമാറ്റപ്പെടും. അതേസമയം ഇലക്ട്രോണുകളേക്കാൾ ഏകദേശം രണ്ടായിരം മടങ്ങ് ഭാരമുള്ള പോസിറ്റീവ് ചാർജുള്ള അയോണുകൾ നിശ്ചലമായി തുടരുന്നു. ഇങ്ങനെ പുറന്തള്ളപ്പെട്ട ഇലക്ട്രോണുകൾ ലേസർപൾസ് കടന്നുപോകുമ്പോൾ അയോണുകളിലേക്ക് തിരികെ ആകർഷിക്കപ്പെടുകയും ഇത് ഒരു പ്ലാസ്മാ തരംഗം ഉണ്ടാക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. ഇങ്ങനെ ലേസർ പൾസിന്റെ ‘വേക്കി’ൽ ( wake) ഉണ്ടാവുന്ന, നെഗറ്റീവ് ചാർജ്ജുള്ള ഇലക്ട്രോണുകളുടെയും പോസിറ്റീവായ അയോണുകളുടേയും കൂട്ടങ്ങൾ തെന്നിമാറിയുണ്ടാവുന്ന ഇത്തരം തരംഗങ്ങൾ ശക്തിയേറിയ ഇലക്ട്രിക് ഫീൽഡുകൾ പ്ലാസ്മയിൽ ഉണ്ടാക്കുന്നു (wake field). ലേസർ പൾസ് പ്ലാസ്മയിലൂടെ നീങ്ങുമ്പോൾ, ഈ വേക്ക്ഫീൽഡും അതേ വേഗതയിൽ കൂടെനീങ്ങും. തൽഫലമായി ഈ പൊട്ടൻഷ്യലിൽ എത്തിപ്പെടുന്ന ഏതൊരു ഇലക്‌ട്രോണും കടലിലെ തിരമാലകളിൽ ഒരു സർഫർ കുതിക്കുന്നതുപോലെ തുടർച്ചയായി ആക്സിലറേറ്റ് ചെയ്യപ്പെടും. ഇങ്ങനെ വേക്ക് ഫീൽഡിലുണ്ടാവുന്ന ഇലക്ട്രിക് പൊട്ടൻഷ്യൽ ഇലക്ട്രോൺ സാന്ദ്രതയ്ക്ക് ആനുപാതികവും അവയുടെ അയോണുകളിൽ നിന്നുള്ള അകലത്തിന് (മൈക്രോണുകൾ മാത്രം) വിപരീതാനുപാതത്തിലുമായതിനാൽ ഒരു സാധാരണ ആക്സിലറേറ്റർ കാവിറ്റിയുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ പ്ലാസ്മകൾക്ക് 10,000 മടങ്ങുവരെ ഉയർന്ന വൈദ്യുത മണ്ഡലങ്ങൾ നിലനിർത്താൻ കഴിയും. തത്ഫലമായി, ഒരു കിലോമീറ്റർ നീളമുള്ള പരമ്പരാഗത ആക്സിലറേറ്ററിന് പകരം കുറച്ച് സെന്റീമീറ്റർ മാത്രം നീളമുള്ള പ്ലാസ്മ ആക്സിലറേറ്റർ ഉപയോഗിക്കാനാകും. ഇത് പ്ലാസ്മ വേക്ക്ഫീൽഡ് അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള കൊളൈഡറിനെ പരമ്പരാഗത കൊളൈഡറുകളേക്കാൾ കൂടുതൽ ഒതുക്കമുള്ളതും വിലകുറഞ്ഞതുമാക്കും.

പ്ലാസ്മാ ആക്സിലറേറ്റർ – വെല്ലുവിളികളും പ്രതീക്ഷകളും

ഈയടുത്ത കൊല്ലങ്ങളിൽ ഒരു വേക്ക് ഫീൽഡ് സ്റ്റേജിൽ നിന്ന് 10GeV യോടടുത്ത് ഊർജ്ജമുള്ള ഇലക്ട്രോൺ ബീമുകളെ ഉണ്ടാക്കാൻ കഴിഞ്ഞിട്ടുണ്ട്. ആക്സിലറേഷനുള്ള സാഹചര്യങ്ങൾ കൂടുതൽ അനുകൂലമാക്കിയാൽ ഇത് ഇനിയും വർദ്ധിപ്പിക്കാൻ കഴിയും. എന്നാൽ പ്ലാസ്മാ ആക്സിലറേറ്ററുകൾ ഉപയോഗിച്ച് ഒരു പാർട്ടിക്കിൾ കൊളൈഡർ നിർമ്മിക്കുന്നതിന് ഒരുപാട് സാങ്കേതിക തടസ്സങ്ങൾ ഇനിയും ബാക്കിയുണ്ട്. ഉദാഹരണമായി, ഒരു പാർട്ടിക്കിൾ കൊളൈഡറിന് ആവശ്യമായ എനർജിയിലേക്കെത്താൻ ഇത്തരം നൂറുകണക്കിന് പ്ലാസ്മാ വേക്ക്ഫീൽഡ് സ്റ്റേജുകൾ ആവശ്യമായി വരും. ഇത് അത്ര എളുപ്പമുള്ള കാര്യമല്ല.

ഒരു പാർട്ടിക്കിൾ കൊളൈഡറിന്റെ ഗുണനിലവാരം നിശ്ചയിക്കുന്ന ഒരു പ്രധാന ഘടകമാണ് അതിന്റെ ലൂമിനോസിറ്റി. ഇത് ഒരു നിശ്ചിത സമയത്ത് നിങ്ങൾക്ക് എത്ര കണങ്ങളെ ഒരു നിശ്ചിതസ്ഥലത്ത് കൂട്ടിവെയ്ക്കാൻ കഴിയും എന്നതിന്റെ അളവാണ്. ഇതാണ് ഒരു നിശ്ചിത ഊർജം ഉപയോഗിച്ച്, ഒരു സെക്കൻഡിൽ എത്ര കൊളിഷനുകൾ നടക്കാൻ സാധ്യതയുണ്ടെന്ന് നിശ്ചയിക്കുന്നത്. ഇന്നുള്ള പ്ലാസ്മാ ആക്സിലറേറ്ററുകളുടെ ലൂമിനോസിറ്റി ഒരു കൊളൈഡറിന് വേണ്ടതിനേക്കാളും എത്രയോ മടങ്ങ് താഴെയാണ്. ഇത് വർദ്ധിപ്പിക്കാൻ ഇപ്പോഴുള്ളതിന്റെ നൂറോ ആയിരമോ മടങ്ങ് പൾസുകൾ ഒരു സെക്കന്റിൽ ഉണ്ടാക്കാൻ കഴിവുള്ള ഹൈപവർ ലേസറുകൾ വേണ്ടിവരും. മാത്രമല്ല, പ്ലാസ്മാ വേക്ക് ഫീൽഡ് ആക്സിലറേറ്ററുകൾ ഉപയോഗിച്ച് ഇലക്ട്രോണുകൾ ആക്സിലറേറ്റ് ചെയ്യുന്നതിൽ ശാസ്ത്രജ്ഞർ ഗണ്യമായ പുരോഗതി കൈവരിച്ചിട്ടുണ്ടെങ്കിലും, ഒരു കൊളൈഡറിനാവശ്യമായ പോസിട്രോൺ ബീമുകളുടെ ആക്സിലറേഷൻ അതിന്റെ ശൈശവാവസ്ഥയിലാണ്. ഇലക്ട്രോണുകൾക്കൊപ്പം പോസിട്രോണുകളെ ആക്സിലറേറ്റ് ചെയ്യാൻ പറ്റുന്ന സ്ഥിതിയിലേക്കെത്താൻ ഒരു ദശാബ്ദക്കാലത്തെ അടിസ്ഥാന ശാസ്ത്രഗവേഷണം ആവശ്യമായി വരും.

പ്ലാസ്മ ആക്സിലറേറ്റർ സാങ്കേതികവിദ്യ വികസിപ്പിക്കുന്നത് ഈ നൂറ്റാണ്ടിലെ ഏറ്റവും വലിയ ഒരു ശാസ്ത്ര-സാങ്കേതിക വെല്ലുവിളിയാണ്. കൊളൈഡർ എന്ന ആത്യന്തിക ലക്ഷ്യത്തിൽ നിന്ന് പ്ലാസ്മ ആക്സിലറേറ്ററുകൾ ഒരു പക്ഷേ ദശാബ്ദങ്ങൾ അകലെയാണെങ്കിലും ഇവയ്ക്ക് വ്യവസായത്തിലും വൈദ്യശാസ്ത്രത്തിലുമുൾപ്പെടെ പല മേഖലകളിലും ഒരുപാട് ഉപയോഗങ്ങൾ സമീപഭാവിയിൽത്തന്നെ ഉണ്ടാവാൻ സാധ്യതയുണ്ട്. അതിനു കാരണം ഇവ ഇലക്ട്രോണുകളെ ത്വരിതപ്പെടുത്തുമ്പോൾ സ്വയമേവ പുറത്തുവിടുന്ന സിൻക്രോട്രോൺ ബീമുകൾ പോലെയുള്ള വളരെ പ്രത്യേകതകളുള്ള എക്സ്-റേ ബീമുകളാണ്. ലേസറിന്റെ ഫോക്കസിൽ, ഏതാനും മൈക്രോണുകൾ മാത്രം വലിപ്പമുള്ള ഒരു ബിന്ദുവിൽ നിന്നാണ് ഇത്തരം എക്സ്റേകൾ പുറത്തുവരുന്നത് എന്നതുകൊണ്ട് ഇവ വളരെ ഉയർന്ന റെസല്യൂഷനിലുള്ള എക്സ്റേ ഫേസ് കോൺട്രാസ്റ്റ് ഇമേജിംഗ് പോലുള്ള പുതിയ ഇമേജിംഗ് രീതികൾക്ക് തുടക്കം കുറിക്കുന്നു. ഇത്തരം ഇമേജിങ്, പരമ്പരാഗത എക്സ്റേ ഇമേജിങ്ങിൽ നിന്ന് വ്യത്യസ്തമായി, എക്സ്റേ കടന്നു പോകുന്ന ഒരു വസ്തുവിന്റെ സാന്ദ്രതയിലെ ചെറിയ വ്യത്യാസങ്ങളെപ്പോലും പിടിച്ചെടുക്കാൻ കഴിവുള്ളതാണ്.

***പുൽച്ചാടിയുടെ എക്സ്റേ ഫേസ് കോൺട്രാസ്റ്റ് ഇമേജ്***

അതുകൊണ്ടുതന്നെ വ്യവസായികോൽപ്പാദനരംഗത്ത് വസ്തുവിനെ നശിപ്പിക്കാതെ ചെയ്യാൻ കഴിയുന്ന പരിശോധനകളിൽ (നോൺ-ഡിസ്ട്രക്റ്റീവ് ടെസ്റ്റിങ്ങിൽ) ഇവയ്ക്ക് ധാരാളം ഉപയോഗങ്ങളുണ്ടാകും. മെഡിക്കൽരംഗത്ത് ഉദാഹരണത്തിന്, ഓസ്റ്റിയോപൊറോസിസ്, ക്യാൻസർ എന്നിവ തുടക്കത്തിൽത്തന്നെ കണ്ടെത്തുന്നതിനും ഇവ ഉപയോഗപ്പെടുത്താവുന്നതാണ്. മാത്രമല്ല ആക്സിലറേറ്ററുകൾ പ്രവർത്തിപ്പിക്കുന്ന ലേസറുകൾ വളരെ ചെറിയ പൾസുകളായാണ് വരുന്നത് എന്നതുകൊണ്ട് ഈ എക്സ്റേബീമുകളും പൾസുകളാണ്. അതുകൊണ്ട് ഉയർന്ന ഷട്ടർസ്പീഡുള്ള ഒരു ക്യാമറയെപ്പോലെ അതീവ വേഗതയിൽ മാറിമറിയുന്ന ചലനങ്ങളെ ഒപ്പിയെടുക്കാൻ പ്ലാസ്മാ ആക്സിലറേറ്ററുകൾ തരുന്ന എക്‌സ്‌റേകൾക്ക് കഴിയും. ഈ ടെക്‌നോളജിയെ അടിസ്ഥാനമാക്കി പ്ലാസ്മാ ആക്സിലറേറ്ററുകളുടെ ആപ്ലിക്കേഷനുകളെ പ്രാവർത്തികമാക്കുന്നതിനുള്ള ലബോറട്ടറികൾ ലോകത്തിന്റെ പല ഭാഗങ്ങളിലും ഇതിനകം തന്നെ നിർമ്മാണമാരംഭിച്ചിട്ടുണ്ട്. യൂറോപ്പിൽ അടുത്ത വർഷങ്ങളിൽ പ്രവർത്തനമാരംഭിക്കുമെന്ന് പ്രതീക്ഷിക്കുന്ന EuPRAXIA, യുകെയിൽ ഇപ്പോൾ നിർമ്മാണം പുരോഗമിക്കുന്ന എക്‌സ്‌ട്രീം ഫോട്ടോണിക്‌സ് ആപ്ലിക്കേഷൻസ് സെന്റർ (EPAC) ഇവയൊക്കെ പ്ലാസ്മാ ആക്സിലറേറ്ററുകൾ ഉപയോഗിച്ച് ഇത്തരം അപ്ലിക്കേഷനുകളെ യാഥാർഥ്യമാക്കുമെന്നാണ് ശാസ്ത്രലോകം പ്രതീക്ഷിക്കുന്നത്.

യുകെയിലെ റഥർഫോർഡ് ആപ്പിൾട്ടൺ ലബോറട്ടറിയിൽ നിർമ്മാണത്തിലിരിക്കുന്ന എക്സ്ട്രീം ഫോട്ടോണിക്സ് ആപ്ലിക്കേഷൻസ് സെന്റർ

ഇന്ത്യയും ഇപ്പോൾ ഈ സംരംഭത്തിൽ ഭാഗഭാക്കാണ്. ഇത്തരം പ്ലാസ്മാ ആക്സിലറേറ്ററുകൾക്കാവശ്യമായ ചില സാങ്കേതിക വിദ്യകൾ – കൺട്രോൾ സിസ്റ്റം, ടാർഗെറ്റുകൾ, വാക്വം സിസ്റ്റങ്ങൾ, ഡിറ്റക്ടറുകൾ, ഡാറ്റാ മാനേജ്‌മെന്റ് തുടങ്ങിയവ – യുകെയും ഇന്ത്യയുമായി യോജിച്ച് നിർമ്മിക്കാനുള്ള ഒരു ഇന്നൊവേഷൻ സെന്റർ മുംബൈയിലും ഹൈദരാബാദിലുമുള്ള ടാറ്റാ ഇൻസ്റ്റിറ്റ്യൂട്ട് ഓഫ് ഫണ്ടമെന്റൽ റിസർച്ചിൽ ഇപ്പോൾ പ്രവർത്തനമാരംഭിച്ചിട്ടുണ്ട്.

2023 ഫെബ്രുവരി ലക്കം ശാസ്ത്രകേരളത്തിൽ പ്രസിദ്ധീകരിച്ചത്

ശാസ്ത്രകേരളം -ഹൈസ്കൂൾ ഹയർസെക്കണ്ടറി വിദ്യാർത്ഥികൾക്കായി കേരള ശാസ്ത്രസാഹിത്യ പരിഷത്ത് പ്രസിദ്ധീകരിക്കുന്ന ശാസ്ത്രമാസിക. വരിചേരാൻ ഇവിടെ ക്ലിക്ക് ചെയ്യുക