ലാർജ് ഹാഡ്രോൺ കൊളൈഡർ

പ്രോട്ടോൺ കണങ്ങളെ 27 കിലോമീറ്റർ ചുറ്റളവുള്ള സഞ്ചാരപഥത്തിൽ വിപരീതദിശകളിൽ ഏകദേശം പ്രകാശപ്രവേഗത്തിൽ പായിച്ച് കൂട്ടിയിടിപ്പിയ്ക്കാനുള്ള ഉപകരണമാണ്‌ ലാർജ്ജ് ഹാഡ്രോൺ കൊളൈഡർ. ഇലക്ട്രോൺ നീക്കം ചെയ്ത് പ്രോട്ടോൺ മാത്രമുള്ള ഹൈഡ്രജൻ കണങ്ങളുടെ ബീം കൊളൈഡറിലേയ്ക്കു കടത്തിവിടുന്നു. ഈ പ്രോട്ടോണുകൾ പ്രകാശവേഗത്തിന്റെ 99.999999% വേഗത്തിൽ പാഞ്ഞ് കൊളൈഡറിന്റെ നാലു കേന്ദ്രങ്ങളിൽ വച്ച് കൂട്ടിയിടിയ്ക്കുന്നു. സെക്കൻറിൽ 6000 ലക്ഷത്തോളം വരുന്ന ഈ കൂട്ടിയിടികൾക്കുശേഷം "ദൈവത്തിന്റെ കണം" എന്നു വിശേഷിപ്പിയ്ക്കാവുന്ന,പരമാണുകണങ്ങൾ രൂപപ്പെടുമെന്നാണ്‌ ശാസ്ത്രജ്ഞർ കരുതുന്നത്.

ലാർജ് ഹാഡ്രോൺ കൊളൈഡർ (LHC)
ലാർജ് ഹാഡ്രോൺ കൊളൈഡറിന്റെ ആസിലറേറ്റർ ചെയിൻ
LHC പരീക്ഷണങ്ങൾ
ATLAS	LHC ഉപകരണത്തിലെ ഒരു ടോറോയിഡ്
CMS	കോമ്പാക്റ്റ് മൗൺ സോളിനോയിൺ
LHCb	LHC-beauty
ALICE	A Large Ion Collider Experiment
TOTEM	Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation
LHCf	LHC-forward

ലാർജ് ഹാഡ്രോൺ കൊളൈഡർ ആകാശ കാഴ്ച

കണികാപരീക്ഷണം എന്ന പേരിലും ഇത് അറിയപ്പെടുന്നുണ്ട്. ലോകോൽപ്പത്തിയ്ക്ക് കാരണമായ കണികകളെ കണ്ടെത്താനുള്ള ശ്രമമാണ് ഇവിടെ നടക്കുന്നത്. ഇതിന്റെ ആദ്യഘട്ടം കഴിഞ്ഞു. മഹാവിസ്‌ഫോടനം വഴി (ബിഗ്ബാങ്) പ്രപഞ്ചം സൃഷ്ടിക്കപ്പെട്ട സമയത്തെ അവസ്ഥ അതേപടി പുനർനിർമ്മിക്കുകയെന്നതാണ് ഈ പരീക്ഷണം ലക്ഷ്യമിടുന്നത്. സ്വിറ്റ്‌സർലൻഡിൽ ജനീവ ആസ്ഥാനമായി പ്രവർത്തിക്കുന്ന യൂറോപ്യൻ ഓർഗനൈസേഷൻ ഫോർ ന്യൂക്ലിയർ റിസർച്ചിൽ (സേൺ-CERN) ജനീവയ്ക്ക് സമീപം സ്വിസ്സ്-ഫ്രഞ്ച് അതിർത്തിയിൽ ഭൂമിക്കടിയിൽ സ്ഥാപിച്ചിട്ടുള്ള, പത്തുവർഷം കൊണ്ട്‌ ആയിരം കോടി ഡോളർ (ഏതാണ്ട്‌ 43000 കോടി രൂപ) ചെലവിട്ട്‌ നിർമിച്ച എൽ.എച്ച്.സി. (LHC/ലാർജ് ഹാഡ്രോൺ കൊളൈഡർ) എന്ന മനുഷ്യനിർമിതമായ ഏറ്റവും വലിയ യന്ത്രമാണ് ഈ പരീക്ഷണത്തിനുപിന്നിൽ. മനുഷ്യന്‌ ഇതുവരെ സാധ്യമായിട്ടില്ലാത്തത്ര ഉന്നത ഊർജനിലയിലും ഊഷ്‌മാവിലും എതിർദിശയിൽ ഏതാണ്ട്‌ പ്രകാശവേഗത്തിൽ സഞ്ചരിക്കുന്ന പ്രോട്ടോൺ ധാരകളെ (അല്ലെങ്കിൽ ലെഡ്‌ അയൺധാരകളെ) കൂട്ടിയിടിപ്പിച്ചു ചിതറിച്ച്‌ പുറത്തു വരുന്ന കണികകളെയും ഊർജ്ജത്തെടും പഠിക്കുക എന്നതാണ് ഇതിന്റെ ലക്ഷ്യം. അമ്പതോളം രാജ്യങ്ങളിൽ നിന്നായി ആയിരക്കണക്കിന്‌ ശാസ്‌ത്രജ്ഞർ ഈ പദ്ധതിയിൽ പങ്കുചേർന്നിരിക്കുന്നു.

പേരിനു പിന്നിൽ

LHC സ്ഥാപിയ്ക്കപ്പെട്ടിരിക്കുന്ന തുരങ്കം

പ്രോട്ടോണുകളുടെയും ന്യൂട്രോണുകളുടെയും അടിസ്ഥാന കണങ്ങളായ ക്വാർക്കുകൾ, ആൻറി ക്വാർക്കുകൾ എന്നിവ നിർമ്മിയ്ക്കപ്പെട്ടിരിക്കുന്നത് ഹാഡ്രോണുകൾ കൊണ്ടാണ്‌ എന്ന് ശാസ്ത്രലോകം അനുമാനിക്കുന്നു. ഗ്രീക്കു ഭാഷയിൽ 'bulky' എന്നർഥം വരുന്ന ‘adros’ എന്ന പദത്തിൽ നിന്നാണ്‌ 'ഹാഡ്രോൺ' എന്ന വാക്കിന്റെ ഉത്ഭവം.കണികകളെ കൂട്ടിയിടിപ്പിയ്ക്കുന്ന വസ്തുക്കളാണ്‌ കൊളൈഡറുകൾ. കണങ്ങളെ കൂട്ടിയിടിപ്പിച്ച് ഹാഡ്രോണുകളെക്കുറിച്ച് പഠനം നടത്തുന്ന ഭീമൻ ഉപകരണത്തിന്‌ അങ്ങനെ 'ലാർജ് ഹാഡ്രോൺ കൊളൈഡർ' എന്ന പേർ നൽകപ്പെട്ടു.

ചരിത്രം

പ്രപഞ്ചോല്പത്തിയെക്കുറിച്ചുള്ള ബിഗ് ബാംഗ് സിദ്ധാന്തത്തിന്റെ സാംഗത്യത്തെക്കുറിച്ചുള്ള പഠനമാണ്‌ ലാർജ് ഹാഡ്രോൺ കൊളൈഡറിന്റെ പ്രധാന നിർമ്മാണോദ്ദേശ്യം. ജീവന്റെ അടിസ്ഥാനമായ ഏറ്റവും ചെറിയ കണങ്ങളെന്നു വിശ്വസിയ്ക്കപ്പെടുന്ന ഹാഡ്രോണുകളെക്കുറിച്ചുള്ള പഠനത്തിലൂടെ മാത്രമേ അതു സാധ്യമാകൂ. അതിശക്തമായ വിസ്ഫോടനങ്ങളിലൂടെ സൃഷ്ടിയ്ക്കപ്പെടുന്ന, നാനോസെക്കന്റുകൾ മാത്രം ആയുസ്സുള്ള ഈ കണങ്ങളെ കൃത്രിമമായി നിർമ്മിക്കുകയെന്ന ആശയം ഉരുത്തിരിഞ്ഞത് 1980-കളിലാണ്‌.

ലാർജ്ജ് ഇലക്ട്രോൺ പോസിട്രോൺ കൊളൈഡറുകളായിരുന്നു LHC യുടെ നിർമ്മാണത്തിലേക്കുള്ള ആദ്യ ചവിട്ടുപടി. 1984-ൽ സംഘടിപ്പിച്ച ഒരു ശാസ്ത്ര കോൺഗ്രസിൽ ഫ്രാൻസ്-സ്വിറ്റ്സർലന്റ് അതിർത്തിയിൽ ജനീവയ്ക്കു സമീപമുള്ള പദ്ധതിപ്രദേശം LEP നിർമ്മാണത്തിനായി ഔദ്യോഗികമായി പ്രഖ്യാപിച്ചു.ഏതാണ്ടെല്ലാ രാഷ്ട്രങ്ങളുടെയും പങ്കാളിത്തത്തോടെ ഒരു ബൃഹത് അന്താരാഷ്ട്ര പരീക്ഷണ പദ്ധതിയും ആസൂത്രണം ചെയ്തു.1996 -ൽ LEP യുടെ വികസിതരൂപമായ LEP-2 നിർമ്മിയ്ക്കപ്പെട്ടു. എന്നാൽ പ്രോട്ടോണുകളുടെ ഒരു ബീം മാത്രമുണ്ടായിരുന്ന LEP യ്ക്ക് പലപ്പോഴും ഉയർന്ന ഊർജ്ജപരിധിയും താപനിലയും താങ്ങാൻ കഴിഞ്ഞിരുന്നില്ല. ഒരു സെക്കന്റിൽ നടക്കുന്ന ശരാശരി കൂട്ടിമുട്ടലുകളുടെ എണ്ണവും താരതമ്യേന കുറവായിരുന്നു. അങ്ങനെ രണ്ടു പ്രോട്ടോൺ ബീമുകൾ ഒരേസമയം പ്രസരിപ്പിക്കത്തക്ക വിധത്തിൽ LHC നിർമ്മിയ്ക്കാൻ ശാസ്ത്രലോകം നിർബന്ധിതമായി.

• 1995-ൽ ജപ്പാനാണ് ഈ അന്താരാഷ്ട്രപദ്ധതിയ്ക്ക് ആദ്യം സാമ്പത്തികസഹായം നൽകിയത്. 1996,1998 വർഷങ്ങളിലെ LHC നിർമ്മാണപ്രവർത്തനങ്ങളിലും ജപ്പാൻ സാമ്പത്തികമായി വലിയ പങ്കു വഹിച്ചു.

• 1996 ഫെബ്രുവരിയിൽ ഹിഗ്സ് ബോസോൺ കണികകളെക്കുറിച്ചു പഠിയ്ക്കാനുള്ള ATLAS,CMS എന്നീ പരീക്ഷണ ഘട്ടങ്ങൾക്ക് അനുമതി ലഭിച്ചു. അതേവർഷം തന്നെ ഇന്ത്യ, റഷ്യ, കാനഡ എന്നീ രാജ്യങ്ങളും നിർമ്മാണപങ്കാളിത്തം വാഗ്ദാനം ചെയ്തു.

• 1997-ൽ ക്വാർക്ക് ഗ്ലുവോൺ പ്ലാസ്മ യെ കുറിച്ചുള്ള പഠനത്തിനുള്ള ALICE എന്ന പരീക്ഷണഘട്ടത്തിന്‌ ഔദ്യോഗിക അനുമതിയായി.
• 1998-ൽ ATLAS പരീക്ഷണത്തിനുള്ള നിർമ്മാണപ്രവർത്തനങ്ങൾ ആരംഭിച്ചു.അക്കൊല്ലം തന്നെ 15 മീറ്റർ നീളമുള്ള പ്രധാന കാന്തങ്ങളിലൊന്ന് വിജയകരമായി പരീക്ഷിച്ചു. ഫ്രഞ്ച്-സ്വിസ് ഗവണ്മെന്റുകളും നിർമ്മാണപ്രവർത്തനങ്ങളിൽ സജീവ പങ്കാളിത്തം ഉറപ്പാക്കി.
• 1999-ൽ ട്രാൻസ്ഫർ ടണലുകളുടെ നിർമ്മാണത്തിനുള്ള വൻ കാന്തങ്ങൾ റഷ്യ സംഭാവന ചെയ്തു. ട്രാൻസ്ഫർ ടണലുകളുടെ നിർമ്മാണം വേഗത്തിൽ പൂർത്തിയാക്കാൻ അതു സഹായിച്ചു.
• 2000-ൽ LEPയുടെ പ്രവർത്തനം നിർത്തിവയ്ക്കുകയും,പ്രസ്തുത തുരങ്കം LHC പരീക്ഷണങ്ങൾക്ക് സജ്ജമാക്കുകയും ചെയ്തു. ഉപകരണത്തിൽ ശൂന്യത(vacuum)സൃഷ്ടിയ്ക്കാനുള്ള പ്രവർത്തനങ്ങൾ തുടങ്ങി.
• 2001-ൽ പരീക്ഷണാവശ്യത്തിനുള്ള കംപ്യൂട്ടർ ഗ്രിഡുകളുടെ ക്രമീകരണം പൂർത്തിയായി.ATLAS ന്റെ ഫലമായുന്റാകുന്ന ഊർജ്ജം അളന്നു തിട്ടപ്പെടുത്താനുള്ള കലോറിമീറ്ററുകൾ ഘടിപ്പിച്ചു.
• 2002-ൽ LHC നിർമ്മാണപ്രവർത്തനങ്ങളിൽ പ്രധാന പങ്കു വഹിച്ചവർക്ക് CERN ഗോൾഡൺ ഹാഡ്രോൺ അവാർഡുകൾ നൽകി. CMS -ലെ പ്രധാന കാന്തങ്ങൾ ഘടിപ്പിച്ചു.
• 2008 ഓഗസ്റ്റ് 8-ആം തീയതി പരീക്ഷണം ആരംഭിച്ചു..

രൂപകല്പന

ലോകത്തിലെ ഏറ്റവും വലിയ ശാസ്ത്രീയ പരീക്ഷണ ശാല എന്നു വിശേഷിപ്പിക്കുന്ന യന്ത്രമാണ്‌ ലാർജ് ഹാഡ്രൊൺ കൊളൈഡർ. മുപ്പത്തിനാലു രാജ്യങ്ങളിൽ നിന്നായി രണ്ടായിരത്തോളം ശാസ്ത്രജ്ഞർ ചേർന്നാണ്‌ ഇതു നിർമ്മിച്ചത്. യൂറോപ്യൻ ഓർഗനൈസേഷൻ ഫോർ ന്യൂക്ലിയർ റിസർച്ച് അഥവാ CERN ആണ് നിർമ്മാതാക്കൾ. 1984-89 കാലഘട്ടത്തിൽ നിർമ്മിയ്ക്കപ്പെട്ട ഇലക്ട്രോൺ-പോസിട്രോൺ യന്ത്രത്തിന്റെ(LEP) മാതൃകയിലായിരുന്നു ഹാഡ്രോൺ കൊളൈഡറിന്റെയും നിർമ്മാണം.

സ്വിറ്റ്സർലന്റിൽ ജനീവയ്ക്കു സമീപം ഭൂഗർഭത്തിൽ 100 മീറ്റർ മുതൽ 165 മീറ്റർ വരെ ആഴത്തിലാണ്‌ യന്ത്രം സ്ഥാപിയ്ക്കപ്പെട്ടിരിക്കുന്നത്. തുരങ്കത്തെ 8 ഭാഗങ്ങളായി തിരിച്ചിരിക്കുന്നു.ആകെ ചുറ്റളവ് 26.7 കിലോമീറ്റർ. എട്ടു ഭാഗങ്ങളുടെയും കേന്ദ്രഭാഗത്താണ്‌ കൂട്ടിയിടി കേന്ദ്രങ്ങൾ ക്രമീകരിയ്ക്കപ്പെട്ടിരിക്കുന്നത്.പ്രോട്ടോൺ കണങ്ങളെ കൊളൈഡറിലേയ്ക്കെത്തിയ്ക്കാൻ 2.5 കിലോമീറ്റർ നീളവും 3 മീറ്റർ വ്യാസവുമുള്ള രണ്ടു ചെറുതുരങ്കങ്ങളുമുണ്ട്.

ഓരോ പ്രോട്ടോൺ-പ്രോട്ടോൺ കൂട്ടിമുട്ടലും ഏകദേശം 7 ടെട്രാ ഇലക്ട്രോൺ വോൾട്ട് (10^12eV) ഊർജ്ജം സ്വതന്ത്രമാക്കപ്പെടുന്നു.അങ്ങനെയുണ്ടാകുന്ന വൻ ഊഷ്മാവ് നിയന്ത്രിയ്ക്കാനായി -271 ഡിഗ്രി താപനില സൃഷ്ടിച്ചിരിക്കുന്നു. 60 ടൺ ദ്രവീകൃത ഹീലിയമാണ്‌ ഇതിനുപയോഗിച്ചിരിക്കുന്നത്. ഈ കൊടും തണുപ്പ് അതിചാലകതയ്ക്കു കാരണമാകുന്നതിനാൽ തുരംഗത്തിനുള്ളിലെ കേബിളുകൾ വളരെക്കുറഞ്ഞ പ്രതിരോധത്തിൽ വൈദ്യുതി പ്രസരിപ്പിക്കും.

പ്രോട്ടോൺ ബീമുകളെ നിശ്ചിത ദിശയിലേയ്ക്ക് നിയന്ത്രിതമായി പായിയ്ക്കാൻ അതിശക്തമായ കാന്തികക്ഷേത്രവുമുണ്ട്.ഏകദേശം 14.3 മീറ്റർ നീളമുള്ള 1,232 കാന്തങ്ങളുടെ സഹായത്തോടെയാണ്‌ അതു സാധ്യമാകുന്നത്.11,700 ആമ്പിയർ വൈദ്യുതിയിൽ 8.4 ടെസ്‌ല ശക്തിയുള്ള കാന്തികക്ഷേത്രമാണ്‌ അവ സൃഷ്ടിയ്ക്കുന്നത്.

യന്ത്രത്തിനുള്ളിൽ കണികകളും വാതകകണങ്ങളും തമ്മിലുള്ള കൂട്ടിമുട്ടൽ നിയന്ത്രിയ്ക്കാനായി ശൂന്യത സൃഷ്ടിച്ചിരിക്കുന്നു. മൂന്ന് വാക്വം സിസ്റ്റങ്ങളുടെ ഒരേ സമയത്തുള്ള പ്രവർത്തനത്തിലൂടെയാണ് ഇതു സാദ്ധ്യമാവുന്നത്. ഇതിൽ ഒരു സിസ്റ്റം കാന്തികക്ഷേത്രത്തിലും മറ്റൊന്ന് ദ്രവീകൃത ഹീലിയം സൂക്ഷിച്ചിരിക്കുന്ന ടണലുകളിലും ഒടുവിലത്തേത് പ്രോട്ടോണുകളുടെ സഞ്ചാരപാദയിലും ശൂന്യത സൃഷ്ടിയ്ക്കുന്നു.

പരീക്ഷണങ്ങൾ

ആറു പ്രധാനപരീക്ഷണങ്ങളാണ്‌ ലാർജ് ഹാഡ്രൺ കൊളൈഡറിൽ നടത്തുന്നത്.

ALICE പരീക്ഷണം

പ്രധാന ലേഖനം: ALICE

പിണ്ഡസംഖ്യ കൂടിയ അയോണുകളുടെ കൂട്ടിയിടിയിടികളിലൂടെ ബിഗ്‌ബാംഗ് സ്ഫോടനത്തിനുശേഷം പ്രപഞ്ചത്തിൽ നിലനിന്നിരുന്ന അന്തരീക്ഷം കൃത്രിമമായി സൃഷ്ടിയ്ക്കുകയാണ്‌ ഈ പരീക്ഷണത്തിൽ. ഈ അന്തരീക്ഷം പുനർസൃഷ്ടിയ്ക്കുന്നതിലൂടെ വസ്തുക്കളുടെ ക്വാർക്ക്-ഗ്ലുവോൺ പ്ലാസ്മ എന്ന അവസ്ഥയെക്കുറിച്ച് പഠനം നടത്താനാവുമെന്നാണ്‌ ശാസ്ത്രജ്ഞരുടെ കണക്കുകൂട്ടൽ.

ഉപണുകണങ്ങളായ പ്രോട്ടോൺ, ന്യൂട്രോൺ എന്നിവ ക്വാർക്കുകൾ കൊണ്ടാണ്‌ നിർമ്മിയ്ക്കപ്പെട്ടിരിക്കുന്നത് എന്ന് ആധുനിക ശാസ്ത്രലോകം വിശ്വസിക്കുന്നു. ഈ ക്വാർക്കുകളെ പരസ്പരം സം‌യോജിപ്പിച്ചു നിർത്തുന്ന അതിസൂക്ഷ്മകണമാണ്‌ ഗ്ലൂഓൺ. ക്വാർക്ക്-ഗ്ലൂവോൺ ബന്ധനം വളരെ ശക്തമായതിനാൽ, ക്വാർക്കുകളോ ഗ്ലുവോണുകളോ പരസ്പരബന്ധിതമല്ലാതെ സ്വതന്ത്രാവസ്ഥയിൽ പ്രപഞ്ചത്തിൽ കാണപ്പെടുന്നില്ല. എന്നാൽ മഹാവിസ്ഫോടനത്തിനുശേഷമുള്ള വളരെക്കുറച്ചു സമയം,വളരെ ഉയർന്ന താപനിലയും,സാന്ദ്രതയും നിലനിന്നിരുന്നപ്പോൾ ഇവ സ്വതന്ത്രമായി സ്ഥിതി ചെയ്തിരുന്നതായി കരുതപ്പെടുന്നു.

ALICE പരീക്ഷണത്തിൽ അയോണുകളുടെ കൂട്ടിയിടിയാലുണ്ടാകുന്ന ഉയർന്ന ഊഷ്മാവിൽ പ്രോട്ടോണുകളും,ന്യൂട്രോണുകളും വിഘടിച്ച് ക്വാർക്കുകളും ഗ്ലുവോണുകളും സ്വതന്ത്രമാകും. അത് മഹാവിസ്ഫോടനത്തിനു ശേഷം പ്രപഞ്ചത്തിൽ നിലനിന്നിരുന്ന പദാർത്ഥത്തിന്റെ അവസ്ഥയായ ക്വാർക്ക് ഗ്ലുവോൺ പ്ലാസ്മ പുനഃസൃഷ്ടിക്കും. ഈ അവസ്ഥയിലുള്ള പദാർത്ഥങ്ങളുടെ സവിശേഷതകളാണ്‌ LHC പരീക്ഷണത്തിന്റെ ആദ്യഘട്ടത്തിൽ ശാസ്ത്രജ്ഞർ പഠനവിധേയമാക്കുന്നത്.

ATLAS പരീക്ഷണം

കണികാ ബൗദ്ധികത്തിലെ ഒരുപാട് കൃത്യതയാർന്ന പരീക്ഷണങ്ങൾ നടത്താനും "ദൈവകണം" എന്നറിയപ്പെടുന്ന ഹിഗ്ഗ്സ് ബോസോണിനെ കണ്ടുപിടിക്കാനും രൂപകൽപ്പനചെയ്ത പരീക്ഷണമാണ് ATLAS (A Torroidal LHC Apparatus). LHC തുരങ്കത്തിൽ സ്ഥാപിച്ചിട്ടുള്ള ഏറ്റവും വലിയ ഡിറ്റക്റ്റർ (Particle detector) ആണ് അറ്റ്ലസ്. 25 മീറ്റർ വ്യാസവും 45 മീറ്റർ നീളവുമുള്ള ഈ ഭീമാകാരൻ ഡിറ്റക്റ്റരിന്റെ ഭാരം 7000 ടൺ ആണ്.