இயற்பியல் நோபல்: பேய்த்துகள்களும் பனிக்கட்டியும்

இயற்பியலுக்கான நோபல் பரிசு, அக்டோபர் 6 அன்று பனிக்கட்டிப் பாறை நியூட்ரினோ ஆய்வகத்திற்கு (Ice Cube Neutrino Observatory) ஆற்றிய தீர்க்கமான பங்களிப்புகளுக்காகவும், வானியற்பியலின் (Astrophysics) உயர் ஆற்றல் நியூட்ரினோக்களைக் கண்டுபிடித்ததற்காகவும், பிரான்சிஸ் ஹால்செனுக்கு வழங்கப்பட்டது. இது, அடிப்படைத் துகள்கள் (fundamental particles) குறித்த நமது புரிதலில் நியூட்ரினோ இயற்பியலின் தொடர்ச்சியான தாக்கத்தை அங்கீகரிக்கும் வகையில் தேர்ந்தெடுக்கப்பட்டது. நமக்குத் தெரிந்ததெல்லாம் அணுக்கருவுக்குள் ஒளிந்திருக்கும் நியூட்ரானைப் பற்றித்தானே! கண்டிப்பாக இரண்டும் ஒன்றாக இருக்க வாய்ப்பில்லை. எனில்,

நியூட்ரினோ என்பது யாது?

நியூட்ரினோ என்பது மின்சுமையற்ற (no electric charge) மற்றும் புறக்கணிக்கத்தக்க அளவு குறைவான நிறை கொண்ட ஒரு அடிப்படை துணை அணுத்துகள் (elementary subatomic particle) ஆகும்; பிரபஞ்சத்தில் மிக அதிக அளவில் காணப்படும் அதே வேளையில், கண்டறிவதற்கு மிகவும் கடினமான துகள்களில் ஒன்றாகவும் விளங்குகிறது. பெரும்பாலும் “பேய்த் துகள்கள்” என்று அழைக்கப்படும் இவை, லெப்டான் (Lepton) குடும்பத்தைச் சேர்ந்தவை. மேலும், இவை பலவீனமான அணுக்கரு விசை (weak nuclear forces) மற்றும் ஈர்ப்பு விசை (gravity) வழியாக மட்டுமே பருப்பொருளுடன் இடைவினை (interact) புரிகின்றன. இதனால், பூமி போன்ற கோள்களையும், சூரியன் போன்ற நட்சத்திரங்களையும் கிட்டத்தட்ட முழுமையாக எவ்விதத் தொந்தரவுமின்றி ஊடுருவிச் செல்ல முடிகிறது.

பிரபஞ்சத்தின் உண்மைகளும் ரகசியங்களும் ஒளியில் தான் ஒளிந்திருக்கிறது. பல்லாயிரம் ஒளி ஆண்டுகள் (light years) தொலைவில் இருந்து வரும் ஒளியிலிருந்து கூட நாம் தகவல்களைப் பெற்றிருக்கிறோம். ஆனால், எந்தவொரு பொருளின் வழியாகவும் ஒளி ஊடுருவிச் செல்ல முடியாது; ஆதலால், பிரபஞ்சத்தைப் பற்றிய எல்லாத் தகவல்களையும் ஒளியின் மூலம் மட்டுமே அறிந்து விட முடியாது. அவற்றை ஆராய்வதற்கு நியூட்ரினோக்கள் மற்றொரு வழியை வழங்குகின்றன: அவை அடர்த்தியான பகுதிகளிலிருந்து தகவல்களை வெளியே கொண்டு செல்கின்றன, மேலும் காந்தப்புலங்களால் திசை திருப்பப்படுவதில்லை. நியூட்ரினோக்கள் எங்கும் நிறைந்திருக்கின்றன; ஆனால் அவை தங்களை வெளிப்படுத்திக் கொள்வதில்லை. நம் உடலை நாம் அறியாமலேயே ஊடுருவிச் செல்கின்றன. மிக அரிதாகவே, ஒரு நியூட்ரினோ அணுக்கருவுடன் வினைபுரிகிறது; இவற்றை சரியான கருவிகளைக் கொண்டு கண்டறிய முடியும்.

புவியில் உள்ள ஆய்வகங்களில் உருவாக்கக்கூடிய ஆற்றலை விட ஒரு மில்லியன் மடங்கு வரை அதிக ஆற்றல் கொண்ட துகள்களை வெளியேற்றும் இயற்கையான துகள் முடுக்கிகள் (natural particle accelerators) அண்டவெளியில் உள்ளன. அண்டக் கதிர்கள் (Cosmic rays) என்பவை, விண்வெளியில் எங்கோ ஒரு இடத்தில் அசாதாரண ஆற்றல்களுக்கு முடுக்கப்பட்ட மின்னூட்டம் பெற்ற துகள்களை உள்ளடக்கியவை. அவற்றைப் பின்தொடர்ந்து அவற்றின் மூலத்தை அடைவது கடினம்: காந்தப்புலங்கள் அவற்றின் பயணப்பாதைகளை வளைக்கின்றன, எனவே அவை வந்தடையும் திசையானது அவற்றின் மூலத்தை நோக்கியிருக்க வேண்டிய அவசியமில்லை. நியூட்ரினோக்களுக்கு மின்னூட்டம் இல்லை. மின்னூட்டம் பெற்ற துகள்கள் இழக்கும் திசைசார் தகவல்களை அவற்றால் தக்கவைத்துக் கொள்ள முடியும். அதாவது, வேறு எந்த வகையிலும் கிடைக்காத தகவல்களை இவைகளால் வழங்க முடியும்.

நியூட்ரினோக்கள் பருப்பொருளுடன் (matter) மிகக் குறைந்த அளவிலேயே இடைவினை புரிகின்றன. இது, ஒளியை உறிஞ்சக்கூடிய சூழல்களில் இருந்து தப்பித்து, வானியலாளர்கள் இதுவரை கண்டிடாத செயல்முறைகளை ஆராய்வதற்கான ஒரு வழியை வழங்குகிறது. இவற்றையெல்லாம் புகைப்படங்களால் உருவப்படுத்த முடியாத காரணத்தினால் கற்பனையில் தான் கட்டமைக்க வேண்டும். ஏன், ஒட்டுமொத்த இயற்பியலே அப்படித்தானே!

நியூட்ரினோவைப் பற்றிய கருதுகோள்:

1930, டிசம்பர் 4ம் தேதி அன்று. ஜெர்மனியில் நடந்த அணுக்கரு இயற்பியல் மாநாட்டிற்கு வொல்ப்காங் பாலி (Wolfgang Pauli) ஒரு கடிதத்தை எழுதினார். பீட்டா சிதைவு (beta decay), ஆற்றல் அழிவின்மை விதியை (law of conservation of energy) மீறுவது போல் தோன்றும் வகையில், ஒரு தொடர்ச்சியான எலக்ட்ரான் ஆற்றல் நிறமாலையைக் (continuous electron energy spectrum) காட்டியது. காணாமல் போன ஆற்றலை எடுத்துச் செல்ல, பாலி ஒரு புதிய நடுநிலையான (neutral), ஏறக்குறைய நிறையற்ற, அகச்சுழற்சி (spin -½) துகளை முன்மொழிந்தார். அவர் முதலில் அதை நியூட்ரான் என்று அழைத்தார் (1932-ல் ஜேம்ஸ் சாட்விக் கன நியூட்ரானைக் கண்டுபிடிப்பதற்கு முன்பு). என்ரிக்கோ ஃபெர்மி (Enrico Fermi), 1934-ல் வெளியிடப்பட்ட பீட்டா சிதைவு பற்றிய தனது முழுமையான கோட்பாட்டில் பாலியின் துகளை இணைத்தார். சாட்விக் (Chadwick) கண்டறிந்த நியூட்ரானுடன் ஏற்படும் குழப்பத்தைத் தவிர்க்க, ஃபெர்மி ‘நியூட்ரினோ’ என்ற பெயரை உருவாக்கினார் — இது இத்தாலிய மொழியில் ‘சிறிய நடுநிலையானது’ என்று பொருள்படும். இவற்றிலிருந்து, நியூட்ரினோக்கள் பீட்டா சிதைவு (beta decay) போன்ற கதிரியக்கச் சிதைவின்போது (radioactive decay) உருவாகின்றன என்பதை நாம் புரிந்துகொள்கிறோம்.

இதனை உறுதிசெய்யும் விதமாக 1956ல் ஃபிரடெரிக் ரெய்ன்ஸ் மற்றும் கிளைட் கோவன் ஜூனியர் (Frederick Reines and Clyde Cowan Jr.)  ஆகியோர், நேர்மாறு பீட்டா சிதைவைப் (inverse beta decay) பயன்படுத்தி, சவன்னா ரிவர் தளத்தில் (Savannah river site) இருக்கும் ஒரு அணுக்கரு உலையிலிருந்து (nuclear reactor) எலக்ட்ரான் வகை ஆன்டிநியூட்ரினோக்களைக் (Antineutrinos) கண்டறிந்தனர். பிறகு 1962-ல், புரூக்ஹேவன் தேசிய ஆய்வகத்தில் (Brookhaven National Laboratory) நடத்தப்பட்ட ஒரு கற்றைச் சோதனையானது (beam experiment), எலக்ட்ரான் நியூட்ரினோவிலிருந்து வேறுபட்ட, மியூயான் வகை நியூட்ரினோ (muon neutrino) எனப்படும் இரண்டாவது வகை நியூட்ரினோவின் இருப்பை உறுதி செய்தது.

1965ல் சூரிய நியூட்ரினோக்கள் (Solar neutrinos) கண்டறியப்பட்டன. சூரியனிலிருந்து வந்த முதல் இயற்கையான (அணுக்கரு உலை சாராத) நியூட்ரினோக்கள் கண்டறியப்பட்டன; இதன் மூலம், சூரியனில் நடைபெறும் அணுக்கரு இணைவு (nuclear fusion) வினையானது கணிக்கப்பட்டபடியே அவற்றை உருவாக்குகிறது என்பது உறுதிப்படுத்தப்பட்டது. 1998-ல் ஜப்பானில் நடத்தப்பட்ட சூப்பர்-காமியோகாண்டே பரிசோதனையானது (Super-Kamiokande experiment), நியூட்ரினோக்கள் வெவ்வேறு வகைகளுக்கு இடையில் அலைவுறுகின்றன (oscillate) என்பதற்கு வலுவான சான்றுகளை வழங்கியது. இதன் மூலம் அவை பூஜ்ஜியமற்ற நிறையைக் கொண்டுள்ளன என்பது நிரூபிக்கப்பட்டது — இதுவே திட்ட மாதிரிக்கு அப்பாற்பட்ட இயற்பியலுக்கான முதல் தெளிவான சான்றாகும்.

DONUT ஆய்வு (Direct Observation of the Nu Tau 1999–2000) டவ் வகை நியூட்ரினோவிற்கான (tau neutrino) முதல் நேரடிச் சான்றை வழங்கியது; இதன் மூலம் அறியப்பட்ட மூன்று வகைகளாகிய (flavors) (லெப்டான் (electron), மியூஆன் (Muon), டௌ (Tau)​) நியூட்ரினோக்கள் முழுமை பெற்றன. மேலும் ஒரு சுவாரஸ்யமான தகவல் என்னவென்றால்,  நியூட்ரினோ ஆய்வில் ஈடுபட்டு, அடுத்தக்கட்ட ஆராய்ச்சிக்கு வழிவகுத்த அனைத்து விஞ்ஞானிகளுக்கும் நோபல் பரிசு வழங்கப்பட்டுள்ளது (இறந்தவர்களைத் தவிர).

பருப்பொருளுடன் (matter) மிகக் குறைந்த அளவில் இடைவினை புரியும் பண்பு கொண்டதனால், நியூட்ரினோவைக் கண்டறிய ஒரு நியூட்ரினோ தொலைநோக்கியைக் (neutrino telescope) கட்டமைப்பது கடினமாகியது. ஏறக்குறைய ஒவ்வொரு நியூட்ரினோவும் தனது இருப்பை தெரிவிக்காமலே அந்தத் தொலைநோக்கியைக் கடந்து செல்கிறது. தென் துருவத்தில் நியூட்ரினோக்களைக் கண்டறிவதற்கான தனது தொலைநோக்குப் பார்வையை பிரான்சிஸ் ஹால்சென் முதன்முதலில் 1988ல் முன்வைத்தார். ஒரு நியூட்ரினோ அணுக்கருவுடன் மோதும்போது, ​​அது ஒரு ஒளிக்கீற்றை (flash of light) உருவாக்குகிறது, இதனை செரென்கோவ் கதிர்வீச்சு (cherenkov radiation) என்றும் கூறுவர்; தெளிவான பனிப்பாறைப் பனியில் (glacial ice) உள்ள உணர் கருவிகள் (sensors) மூலம் இதனைத் தடமறிய முடியும்.

ஏன் தென் துருவம்?

தென் துருவத்தின் பனிப்பகுதி பல்வேறு வகையான இடையூறுகளிலிருந்து விடுபட்டதாகவும், நிலவியல் ரீதியாக நிலநடுக்கங்கள் ஏதுமற்றதாகவும் இருப்பதால், அங்குள்ள பனிப்பாறை தேர்ந்தெடுக்கப்பட்டது. ஹால்சென் மற்றும் அவரது யோசனைக்கு விரைவில் பிற ஆராய்ச்சியாளர்களின் ஆதரவு கிடைத்தது; அதைத் தொடர்ந்து சில ஆண்டுகளிலேயே, பனியில் பொருத்தப்பட்ட உணரிகளுக்கான முதற்கட்டச் சோதனைகள் மேற்கொள்ளப்பட்டன.

மிக அதிக ஆற்றல் கொண்ட அண்டவெளி நியூட்ரினோக்கள் மிகவும் அரிதானவை; எனவே, போதுமான எண்ணிக்கையிலான மோதல்களைக் கண்டறிய மிகப் பெரிய அளவிலான பனிக்கட்டித் தொகுதி தேவைப்படுகிறது. ‘ஐஸ்கியூப்’ (IceCube) ஆய்வுக்கூடம் ஒரு கன கிலோமீட்டர் பரப்பளவைக் கொண்டதாகும்; இதன் கட்டுமானப் பணிகள் 2011-இல் நிறைவடைந்தன. ஆய்வாளர்கள் விரைவில் முதல் உயர்-ஆற்றல் நியூட்ரினோக்களைக் கண்டறிந்தனர்; சில ஆண்டுகளுக்குப் பிறகு, நமது சூரிய மண்டலத்திற்கு வெகு தொலைவில் தோன்றியிருக்கக்கூடிய நியூட்ரினோக்கள் குறித்த தங்கள் கண்டுபிடிப்பை அவர்களால் வெளியிட முடிந்தது. அண்டத்தில் நியூட்ரினோக்கள் உருவாகும் இடங்களைத் தேடும் பணி தீவிரமாகத் தொடங்கியது.

அசல் ஐஸ்க்யூப் வரிசையானது, மேற்பரப்பிலிருந்து சுமார் 1.5 முதல் 2.5 கிலோமீட்டர் ஆழத்தில் பதிக்கப்பட்ட 86 செங்குத்துத் தொடர்களில் 5,160 ஒளியியல் தொகுதிகளைக் (optical modules) கொண்டுள்ளது. அவை அனைத்தும் சேர்ந்து ஒரு கன கிலோமீட்டர் பனிக்கட்டியைக் கண்காணிக்கின்றன. இந்தக் கண்டறிவான் ஒரு நியூட்ரினோவை நேரடியாகப் புகைப்படம் எடுப்பதில்லை. அது ஒரு இடைவினையின் விளைவுகளைப் பதிவு செய்கிறது.

இடைவினை புரியும் ஒரு நியூட்ரினோ, மியூயான் போன்ற மின்னூட்டம் பெற்ற ஒரு துகளையோ அல்லது துகள்களின் பொழிவையோ உருவாக்க முடியும். அந்தத் துகள்கள், பனிக்கட்டியின் வழியே ஒளி பயணிக்கும் வேகத்தை விட வேகமாக நகர்ந்தால், அவை செரன்கோவ் கதிர்வீச்சை வெளியிடுகின்றன. இது சார்பியல் (relativity) கோட்பாட்டை மீறுவதில்லை: இங்கு பொருத்தமான ஒப்பீடு என்பது, வெற்றிடத்தில் ஒளியின் வேகத்துடன் அல்ல, மாறாக ஒரு பொருளில் அதன் குறைக்கப்பட்ட வேகத்துடனே ஆகும்.

வெவ்வேறு உணரிகள், அதன் விளைவாக ஏற்படும் ஒளியை வெவ்வேறு நேரங்களிலும் தீவிரங்களிலும் பதிவு செய்கின்றன. அந்த அளவீடுகள், நிகழ்வை மறு உருவாக்கம் செய்யவும், உள்ளே வரும் நியூட்ரினோவின் திசை மற்றும் ஆற்றலை மதிப்பிடவும் விஞ்ஞானிகளுக்கு உதவுகின்றன. ஒளியின் பிரகாசம் எவ்வளவு முக்கியமோ, அதே அளவு அதன் அமைப்பும் (pattern) முக்கியமானது; இந்த ஆய்வகம் ஒரு முப்பரிமாண அளவீட்டுக் கருவியாகச் செயல்படுகிறது.

பனிக்கட்டிகள் மூலம் தொடர்ந்து சேகரிக்கப்படும் நியூட்ரினோ இடைவினைகள், உயர் ஆற்றல் கொண்ட நியூட்ரினோக்கள் உருவாகக்கூடிய தீவிரமான சூழல்கள் குறித்த புதிய அறிவை ஆராய்ச்சியாளர்களுக்கு வழங்கும்; கருந்துளைகள் (blackholes), விண்மீன் திரள்கள் (galaxies) மற்றும் அண்டக் கதிர்களின் (cosmic rays) தோற்றம் ஆகியவற்றை புரிந்துகொள்ள முடியும்; பூமியின் உட்பகுதியை வரை படமாக்குவதில், சூப்பர்நோவா வெடிப்புகள் (supernova explosions) குறித்த முன்கூட்டிய எச்சரிக்கைகள் அறிவதிலும் உதவியாக இருக்கும்.

000

சான்றுகள்:

1. https://www.nobelprize.org/uploads/2026/10/advanced-physicsprize2026.pdf
2. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2026/press-release/
   https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/reines-lecture.pdf
3. https://world-of-physics.com/blog/neutrino-timeline-from-pauli-to-the-future/
4. https://neutrinos.fnal.gov/whats-a-neutrino/
5. https://www.nuclear-power.com/nuclear-power/reactor-physics/atomic-nuclear-physics/fundamental-particles/neutrino/
6. https://quantum-nature.com/nobel-prize-physics-2026-contenders/
7. https://icecube.wisc.edu/science/icecube/
8. https://icecube-gen2.wisc.edu/science/science-scope/

000

ஹரிஷ் குருமூர்த்தி

இயற்பியலில் முதுகலைப் பட்டதாரி; புதுக்கோட்டையைச் சேர்ந்தவர், தற்போது ராஜஸ்தானின் பிலானியில் உள்ள CSIR CEERI இல் தொழில்நுட்ப உதவியாளராகப் பணிபுரிகிறார்.