अन्टार्क्टिक बरफमुनि चार दशकदेखि घोस्ट पार्टिकल खोजिरहेका वैज्ञानिक

अक्टोबर ६ मा स्विडेनको स्टकहोमस्थित रोयल स्विडिस एकेडेमी अफ साइन्सेजले सन् २०२६ को नोबेल भौतिकशास्त्र पुरस्कार बेल्जियममा जन्मिएका वैज्ञानिक फ्रान्सिस हाल्जेनलाई प्रदान गर्ने निर्णय गर्‍यो । उनी हाल अमेरिकाको विस्कन्सिन-म्याडिसन विश्वविद्यालयमा प्राध्यापनरत तथा अनुसन्धानरत छन् । उनलाई आइसक्यूब न्युट्रिनो अब्जरभेट्रीको निर्माण तथा अन्तरिक्षबाट आउने अति उच्च ऊर्जाका न्युट्रिनो कणहरूको ऐतिहासिक खोजका लागि यो प्रतिष्ठित पुरस्कार प्रदान गरिएको हो।

एकेडेमीले उनको अतुलनीय योगदानको कदर गर्दै त्यसलाई ‘आइसक्यूब न्युट्रिनो अब्जरभेट्री निर्माणमा निर्णायक योगदान’ भनी उल्लेख गरेको छ। पुरस्कारको आधिकारिक उद्धरणमा सुदूर अन्तरिक्षमा उत्पत्ति भएका उच्च ऊर्जाका न्युट्रिनोहरूको खोजलाई विशेष रूपमा रेखांकित गरिएको छ। यो सफलता उनको चार दशक लामो अथक साधनाको प्रतिफल हो। उनले अण्टार्क्टिकाको दक्षिण ध्रुवमा रहेको विशाल बरफलाई नै ब्रह्माण्ड नियाल्ने एउटा नवीन औजारमा रूपान्तरण गरिदिए, जसले दृश्य प्रकाशलाई नभई अभौतिक लाग्ने न्युट्रिनोहरूलाई पछ्याउने गर्छ।

एक्लै जित्ने दुर्लभ क्षण

यसपटकको नोबेल पुरस्कारको एउटा निकै विशिष्ट र दुर्लभ ऐतिहासिक महत्त्व छ। हाल्जेन सन् १९९२ मा जर्जेस चार्पाकले पुरस्कार प्राप्त गरेयता भौतिकशास्त्रतर्फको नोबेल पुरस्कार एकल रूपमा प्राप्त गर्ने पहिलो वैज्ञानिक बनेका छन्। त्यसअघि सन् १९९१ मा पियर-जिल दे जेन मात्र एक्ला विजेता बनेका थिए। सामान्यतया भौतिकशास्त्रको नोबेल पुरस्कार दुई वा तीन जना वैज्ञानिकहरूलाई संयुक्त रूपमा प्रदान गरिने परम्परा रहेकाले, यो एकल घोषणाले अन्तर्राष्ट्रिय वैज्ञानिक जगत्‌को विशेष ध्यान आकर्षित गरेको छ।

भौतिकशास्त्रसम्बन्धी प्रतिष्ठित पत्रिका ‘फिजिक्स टुडे’ का प्रधान सम्पादक रिचर्ड फिट्जगेराल्डले यसको दूरगामी महत्त्वबारे स्पष्ट पारेका छन्। उनका अनुसार, नोबेल पुरस्कार कुनै एक व्यक्तिलाई मात्र प्रदान गरिनुले उनको वैज्ञानिक दृष्टिकोण र अवधारणाको अद्वितीय विशिष्टतालाई प्रमाणित गर्छ। यद्यपि, यो विशाल अब्जरभेट्रीको निर्माणमा सयौँ वैज्ञानिक तथा इन्जिनियरहरूको योगदान छ, तर यस महाअभियानको बीजारोपण र सुरुआत भने उनै एक जनाको दृढ संकल्पबाट भएको थियो।

पुरस्कारको कुल राशि १ करोड २० लाख स्विडिस क्रोनर रहेको छ । जुन करिब १२ लाख अमेरिकी डलरबराबर हुन्छ। यो पुरस्कार आगामी डिसेम्बर १० मा स्विडेनको स्टकहोममा आयोजित विशेष समारोहमा औपचारिक रूपमा प्रदान गरिनेछ। हाल्जेन हाल ८२ वर्षका भए।

इटालीमा आएको फोन

पुरस्कार घोषणा भइरहँदा हाल्जेन स्टकहोममा उपस्थित थिएनन्। उनले इटालीबाट टेलिफोन संवादमार्फत नोबेल समितिसँग आफ्नो प्रतिक्रिया व्यक्त गरे। यो घोषणा उनका लागि अत्यन्तै अप्रत्यासित र आश्चर्यजनक थियो; किनकि उनले यसको कुनै पूर्वअपेक्षा गरेका थिएनन्। यद्यपि, बाह्य वैज्ञानिक समुदायले भने उनले यसपटक नोबेल पुरस्कार जित्न सक्ने अनुमान पहिल्यै गरिसकेको थियो।

पुरस्कार घोषणा समारोहमा रोयल स्विडिस एकेडेमीकी महासचिव एलेन मुन्सले विजेताको नाम सार्वजनिक गरेकी थिइन्। तत्पश्चात् नोबेल भौतिकशास्त्र समितिका अध्यक्ष एवं स्टकहोमस्थित केथिएच रोयल इन्स्टिच्युट अफ टेक्नोलोजीका एस्ट्रोपार्टिकल भौतिकशास्त्री मार्क पियर्सले हाल्जेनको योगदानको उच्च मूल्याङ्कन गरे। उनले हाल्जेनले अन्तर्राष्ट्रिय अनुसन्धानकर्ता र इन्जिनियरहरूको टोलीको कुशलतापूर्वक नेतृत्व गरेको उल्लेख गर्दै भने, ‘उनको दृढता र वैज्ञानिक दूरदृष्टिले खगोलशास्त्रको एउटा नयाँ युगको मार्ग प्रशस्त गरेको छ’

यस वर्षको नोबेल पुरस्कार शृङ्खलामा भौतिकशास्त्रतर्फको यो दोस्रो घोषणा हो । यसअघि चिकित्साशास्त्रतर्फको पुरस्कार घोषणा भइसकेको थियो। भौतिकशास्त्रको यो ऐतिहासिक घोषणाले परम्परागत प्रयोगशालाको सीमा नाघेर सम्पूर्ण विश्वको ध्यान पृथ्वीको सबैभन्दा चिसो र दुर्गम कुनातिर खिचिदिएको छ।

न्युट्रिनो के हो

न्युट्रिनोलाई बुझ्न सर्वप्रथम यसको मौलिक प्रकृति बुझ्नुपर्छ। न्युट्रिनोमा कुनै विद्युतीय चार्ज हुँदैन र यसको द्रव्यमान (मास) पनि लगभग नगण्य हुन्छ। यसको अर्थ, यसलाई चुम्बकीय क्षेत्रले मोड्न सक्दैन र यो कुनै पनि पदार्थसँग सजिलै प्रतिक्रिया पनि गर्दैन। उदाहरणका लागि, सूर्यबाट निस्कने करिब ६५ अर्ब न्युट्रिनो हरेक सेकेन्ड हाम्रा कान्छी औंलाका नङबाट कुनै पनि परमाणुलाई नछोइकन सहजै पार भइरहेका हुन्छन्।

यसै गुणका कारण वैज्ञानिकहरू यसलाई ‘घोस्ट पार्टिकल’ भन्ने गर्छन्। न्युट्रिनोहरू सम्पूर्ण ब्रह्माण्डभरि व्याप्त छन्, जसले पृथ्वी र मानव शरीरलाई समेत सहजै पार गर्छन्। यद्यपि, हामीले तिनको उपस्थितिलाई कहिल्यै महसुस गर्न सक्दैनौँ। वैज्ञानिकहरूले यी कणलाई प्रत्यक्ष रूपमा देख्न सक्दैनन्; तिनले कुनै पदार्थसँग ठोक्किँदा उत्पन्न हुने प्रकाशको क्षीण चमक वा त्यसबाट बन्ने आवेशयुक्त कणहरूलाई मात्र मापन गर्न सक्छन्।

अत्यन्त दुर्लभ अवस्थामा मात्र न्युट्रिनो कुनै परमाणुको न्युक्लियससँग ठोक्किन्छ। त्यतिबेला एउटा आवेशयुक्त कण उत्पन्न हुन्छ, जुन पदार्थभित्र तीव्र गतिमा प्रवाह हुँदा फिक्का निलो रङको चमक (लाइट) पैदा गर्छ। पारदर्शी माध्यममा जडान गरिएका सेन्सरहरूले त्यो चमकलाई रेकर्ड गर्छन्, जसका आधारमा वैज्ञानिकहरूले न्युट्रिनो कुन दिशाबाट आएको हो भन्ने कुराको पुनर्निर्माण वा पहिचान गर्छन्।

यो विधिको मुख्य आधार चेरेन्कोभ विकिरण हो। आवेशयुक्त कण पानी वा पारदर्शी माध्यममा तीव्र गतिमा अघि बढ्दा विद्युत्चुम्बकीय विकिरण उत्सर्जन हुन्छ। जापानको ‘सुपर-कामियोकान्डे’ जस्ता ठूला डिटेक्टरहरूले पनि यही सिद्धान्तमा काम गर्छन्। तर, हाल्जेनको फरक र नवीन सोच भनेको त्यो चेरेन्कोभ माध्यमलाई पानीको सट्टा प्राकृतिक बरफमा रूपान्तरण गर्नु थियो।

ब्रह्माण्डको रहस्य: कसले कण तेज बनाउँछ ?

अन्तरिक्षमा ब्रह्माण्डीय किरणहरू (कस्मिक रे) निरन्तर यात्रा गरिरहन्छन्, जसमा मुख्यतः स्वतन्त्र प्रोटोनहरू हुन्छन्। यीमध्ये केही प्रोटोनको ऊर्जा त पृथ्वीका आधुनिक प्रयोगशालाहरूमा उत्पन्न गर्न सकिने अधिकतम ऊर्जाभन्दा पनि दश लाख गुणा बढी हुन्छ।

यी कणहरूलाई कसले यति धेरै गति र ऊर्जा दिन्छ भन्ने प्रश्नको स्पष्ट उत्तर अझै फेला परेको छैन । विस्फोटित ताराहरू तथा विशाल कालो छिद्र (ब्ल्याक होल) बाट निस्कने जेटहरूलाई यसका सम्भावित कारक मानिन्छ। प्रोटोन आवेशयुक्त (चार्ज्ड) कण भएकाले यात्राका क्रममा चुम्बकीय क्षेत्रले यसको बाटो मोडिदिन्छ। फलस्वरूप, पृथ्वीको वायुमण्डलसम्म आइपुग्दा यसको दिशाले यसको वास्तविक उत्पत्तिस्थान दर्साउन सक्दैन।

न्युट्रिनोले भने यो समस्याको समाधान गर्छ। प्रोटोनलाई प्रवेगित गर्ने प्रक्रियामा स्वाभाविक रूपमा न्युट्रिनो पनि उत्पन्न हुनुपर्छ। चुम्बकीय क्षेत्रले न्युट्रिनोको दिशा र गतिलाई कुनै असर पार्न सक्दैन। त्यसैले न्युट्रिनो आफ्नो उद्गमस्थलतर्फ सीधा संकेत गर्ने एक अचुक सूचक बन्दछ। कस्मिक रे जहाँ उत्पन्न हुन्छन्, त्यहाँ न्युट्रिनो पनि बन्छन्; तर ती कहिले, कहाँ र कसरी बन्छन् भन्ने कुरा त्यतिबेला कसैलाई थाहा थिएन।

प्रकाशसँग तुलना गर्दा न्युट्रिनोको विशिष्टता स्पष्ट हुन्छ। प्रकाशका कणहरू अर्थात् फोटोनहरू बाटोमा पर्ने पदार्थ वा वस्तुहरूसँग ठोक्किएर रोकिन्छन्।
यसको विपरीत, न्युट्रिनो भने जुनसुकै वस्तुलाई पनि सहजै छेडेर पार हुन सक्छन्। हाल्जेनका अनुसार, यही गुणका कारण ब्रह्माण्डका ती रहस्यहरू पनि देख्न सकिन्छ, जुन अन्य कुनै माध्यमबाट देख्न असम्भव हुन्छ।

बेल्जियमको टिएनेनदेखि विस्कन्सिनसम्म

फ्रान्सिस लुइस हाल्जेनको जन्म सन् १९४४ मार्च २३ मा बेल्जियमको टिएनेन सहरमा भएको थियो, र उनी बेल्जियममै हुर्किएका हुन्। उनको बाल्यकाल वा पारिवारिक पृष्ठभूमिबारे सार्वजनिक स्रोतहरूमा अत्यन्तै न्यून विवरणहरू मात्र उपलब्ध छन्। यसैकारण, प्रस्तुत फिचरमा कपोलकल्पित कुराहरू समावेश नगरी तथ्यगत विवरण मात्र प्रस्तुत गरिएको छ।

उनको उच्च शैक्षिक यात्रा लुवेन विश्वविद्यालयबाट प्रारम्भ भएको हो। उनले सन् १९६६ मा भौतिकशास्त्रमा स्नातकोत्तर र सन् १९६९ मा विद्यावारिधि (पीएचडी) उपाधि हासिल गरे। उनको शोधग्रन्थ ‘ब्रोकन सिमेट्रीज अफ ह्याड्रन्स’ विषयमा आधारित थियो। त्यस समयमा उनी एक विशुद्ध सैद्धान्तिक भौतिकशास्त्री थिए । उनको सोच तारा वा बरफभन्दा भिन्न सैद्धान्तिक अवधारणामा नै केन्द्रित थियो।

विद्यावारिधि पश्चात् उनले युरोपेली आणविक अनुसन्धान परिषद ‘सर्न’ को प्रयोगशालाका साथै डरहम र टोकियो विश्वविद्यालयहरूमा पनि कार्य गरे। यसै अवधिमा उनी अन्तर्राष्ट्रिय अनुसन्धान जगत्मा एक उदीयमान वैज्ञानिकका रूपमा परिचित बने। सन् १९७१ मा जेनेभास्थित सर्नमा कार्यरत रहँदा एक सहकर्मीले उनलाई विस्कन्सिन-म्याडिसन विश्वविद्यालयमा छ महिनाको अनुसन्धान भ्रमणका लागि निमन्त्रणा दिएका थिए। तत्पश्चात् उनी स्थायी रूपमा त्यहीँ कार्यरत रहे।

विस्कन्सिन पुगेपछि उनको प्राज्ञिक तथा अनुसन्धान करियरले फराकिलो मोड लियो। सन् १९८४ देखि उनले एलिमेन्टरी पार्टिकल फिजिक्स रिसर्च इन्स्टिच्युटको निर्देशक पदको जिम्मेवारी सम्हाल्दै आएका छन्। हाल उनी त्यहाँ विलास रिसर्च प्रोफेसर तथा ग्रेगरी ब्राइट प्रोफेसरका रूपमा कार्यरत छन्। उनी स्वयंलाई कण भौतिकी, खगोलभौतिकी र ब्रह्माण्डविज्ञानका जटिल समस्याहरूमा केन्द्रित सैद्धान्तिक वैज्ञानिक मान्छन्। यसरी एक सैद्धान्तिक भौतिकशास्त्रीले पछि गएर अति विशाल प्रयोगात्मक डिटेक्टरको निर्माण नेतृत्व गर्नु आफैँमा एक अद्भुत र रोचक यात्रा हो।

सन् १९८० को दशक : एउटा सुन्दर विचार

हाल्जेनले न्युट्रिनोमा चासो देखाउन थालेको समय सन् १९८० को दशकको मध्यतिरको थियो। त्यसबेला उनले आफ्ना पोस्टडक अनुसन्धानकर्ता एनरिके जासँग मिलेर न्युट्रिनो टेलिस्कोप निर्माणको सम्भावनाबारे अध्ययन सुरु गरेका थिए। जा हाल स्पेनको सान्तियागो दे कम्पोस्टेला विश्वविद्यालयमा प्राध्यापकका रूपमा कार्यरत छन्।

हाल्जेन र उनका सहकर्मी जोन जी. लर्नेडले सन् १९८८ मा पोल्यान्डमा आयोजित एक सम्मेलनमा दक्षिण ध्रुवमा न्युट्रिनो टेलिस्कोप बनाउने अवधारणा पहिलोपटक प्रस्तुत गरेका थिए। नोबेल समितिका अध्यक्ष पियर्सका अनुसार पनि हाल्जेनले एक सहकर्मीसँग मिलेर अण्टार्क्टिकाको दक्षिण ध्रुवमा रहेको बरफलाई न्युट्रिनो पत्ता लगाउने माध्यमका रूपमा प्रयोग गर्ने विचार सन् १९८८ मा अघि सारेका थिए। न्युट्रिनोको पहिचानका लागि अत्यन्त विशाल, पारदर्शी र पूर्णतः अँध्यारो आयतन आवश्यक पर्दछ, र दक्षिण ध्रुवको गहिरो बरफले यी सबै अनुकूलताहरू प्रदान गर्न सक्थ्यो।

हाल्जेनले न्युट्रिनो डिटेक्टरका लागि बरफ प्रयोग गर्नुका फाइदाहरूबारे स्पष्ट पारेका छन्। बरफको अत्यधिक गहिराइ सधैँ पूर्ण अँध्यारो हुन्छ; त्यहाँ समुद्री जीवहरू नहुने भएकाले जैविक प्रकाश वा अन्य संकेतको अवरोध हुँदैन; प्राकृतिक रेडियोधर्मिता अत्यन्त न्यून हुन्छ र त्यो भौगर्भिक रूपमा पनि स्थिर रहन्छ। त्यहाँ भूकम्पको जोखिमसमेत नहुने भएकाले बरफ एक उत्कृष्ट डिटेक्टर माध्यम साबित भयो। यद्यपि, यो विचारलाई व्यवहारमा उतार्न भने सहज थिएन।

अमेरिकन फिजिकल सोसाइटी (एपीएस) को एक विवरणमा हाल्जेनले सुरुका दिनहरूको अवस्था सम्झिएका छन्। उनका अनुसार दक्षिण ध्रुवमा विशाल न्युट्रिनो डिटेक्टर निर्माण गर्ने कुरा कुनै समय एउटा रोचक काल्पनिक विचार मात्र मानिन्थ्यो। त्यसैले उनीहरूले सानो स्तरबाट काम सुरु गरे। सुरुमा बरफको गुणस्तर अध्ययन गर्ने, तातो पानीबाट खाल्डो खन्ने ड्रिल (हट वाटर ड्रिल) तयार पार्ने र त्यसले सोचेजस्तो काम गर्छ कि गर्दैन भनेर परीक्षण गर्ने निर्णय गरियो। उनीहरूले सोचेभन्दा बढी बाधाहरू पार गर्दै गए, र हेर्दाहेर्दै उनीहरूसँग एक घन किलोमिटर आकारको विशाल डिटेक्टर निर्माण गर्न सक्ने प्रविधि र औजारहरू तयार भए।

अमान्डा: असफलताबाट सिकेको पाठ

आइसक्यूब निर्माण हुनुभन्दा अघि ‘अमान्डा’ (‘अन्टार्क्टिक म्युअन एन्ड न्युट्रिनो डिटेक्टर एरे’) परियोजना सञ्चालनमा थियो। हाल्जेनले सन् १९८७ मा यस परियोजनामा काम सुरु गरेका थिए। यो वास्तवमा आइसक्यूबको पहिलो पुस्ताको प्रारम्भिक प्रयोग थियो।

अमेरिकाको राष्ट्रिय विज्ञान प्रतिष्ठानको वित्तीय सहयोगमा सन् १९९० को दशकमा अनुसन्धानकर्ताहरूले हजारौँ मिटर गहिरो बरफमा तातो पानीको पाइप प्रयोग गरी खाल्डाहरू खने। त्यसपछि ती खाल्डाहरू पुनः जमेर बन्द हुनुअगावै सेन्सर जडित केबलहरू भित्र खसाले। यो काम अत्यन्तै चुनौतीपूर्ण थियो; किनकि सम्पूर्ण निर्माण कार्य नोभेम्बरदेखि फेब्रुअरीसम्मको छोटो अण्टार्क्टिक ग्रीष्मकालीन अवधिभित्रै सम्पन्न गरिसक्नुपर्थ्यो।

हाल्जेन सन् १९९३ को क्रिसमसको पूर्वसन्ध्यामा उनी कम्प्युटर काखमा राखेर उत्सुकताका साथ पर्खिरहेका थिए। उनी पहिलो अमान्डा केबल बरफको गहिराइमा पुगेको खबर पाउन प्रतीक्षारत थिए। कुनै पनि वैज्ञानिकको जीवनमा यस्तो पर्खाइको क्षण अत्यन्त महत्त्वपूर्ण हुन्छ। परिवारसँग उत्सव मनाउने दिनमा पनि उनको सम्पूर्ण ध्यान दक्षिण ध्रुवको एउटा चिसो प्वालतिर नै केन्द्रित थियो।

तर, सुरुवातमै ठूलो प्राविधिक समस्या उत्पन्न भयो। पहिलो सेन्सर राखिएको गहिराइको बरफमा साना-साना हावाका फोकाहरू भरिएका थिए। ती फोकाले चेरेन्कोभ प्रकाशलाई चारैतिर छरपष्ट पारिदिए, जसले गर्दा प्रकाशको झिल्को आधा मिटर नबित्दै आफ्नो दिशा गुमाउँथ्यो। यस समस्याले अमान्डाको सम्पूर्ण अवधारणालाई नै लगभग असफल बनाइदिएको थियो। तर, यो असफलता पूर्ण रूपमा निरर्थक भने भएन।

अझ बढी गहिराइमा पुगेपछि दृश्य पूर्ण रूपमा परिवर्तन भयो। करिब १,४०० मिटरभन्दा मुनिको बरफ यति धेरै सफा र पारदर्शी थियो कि न्युट्रिनोको टक्करबाट उत्पन्न भएको प्रकाश सोझै ३०० मिटरसम्म यात्रा गर्न सक्थ्यो। यो नतिजा कसैले अपेक्षा गरेभन्दा धेरै गुणा उत्कृष्ट थियो। गहिरो बरफ पूर्णतः सफा छ भन्ने तथ्यले नै पछि आइसक्यूब निर्माणको ढोका खोलिदियो। यसरी अमान्डाले गहिरो अण्टार्क्टिक बरफ सूक्ष्म कण डिटेक्टरका रूपमा काम गर्न पर्याप्त सफा र भौगर्भिक रूपमा स्थिर छ भन्ने कुरा प्रमाणित गर्‍यो।

यद्यपि, अमान्डाले हाल्जेनले खोजेको मूल लक्ष्य भने हासिल गर्न सकेन। अमान्डाको निर्माण सन् २००० मा पूरा भयो, तर नोबेल समितिका अनुसार यसले हाल्जेनले अपेक्षा गरेका अति उच्च ऊर्जाका ब्रह्माण्डीय न्युट्रिनोहरू पत्ता लगाउन सकेन। यो समयलाई उनको अनुसन्धान यात्राको सबैभन्दा कठिन मोड मान्न सकिन्छ; किनभने वर्षौँको अथक मेहनतपछि पनि मुख्य लक्ष्य हासिल हुन सकेको थिएन। अमान्डाका यी प्रारम्भिक नतिजाहरू सन् २००१ मा प्रकाशित भएका थिए।

आइसक्यूबको निर्माण

अमान्डाको सफलता र असफलता दुवैले हाल्जेनलाई एउटा निश्चित निष्कर्षमा पुर्‍यायो। अझ धेरै ठूलो र गहिरो डिटेक्टर आवश्यक छ भन्ने कुरामा उनी पूर्ण रूपमा विश्वस्त भए। उनले विशाल आकारको डिटेक्टर निर्माणका पक्षमा दह्रिला तर्कहरू प्रस्तुत गर्दै युरोप र अमेरिका दुवै क्षेत्रबाट आवश्यक बजेट तथा कोष जुटाउन सफलता प्राप्त गरे। आइसक्यूबको निर्माण कार्य सन् २००४ मा औपचारिक रूपमा सुरु भयो । जसमा यसपटक पनि अमेरिकी राष्ट्रिय विज्ञान प्रतिष्ठानले नै मुख्य कोष उपलब्ध गराएको थियो। पछि सन् २००५ मा अमान्डालाई पनि आइसक्यूबकै एक अङ्गका रूपमा गाभियो।

आइसक्यूबको अन्तिम केबल (स्ट्रिङ) सन् २०१० को डिसेम्बरमा बरफको गहिराइमा खसालियो। त्यसपछि यसको पहिलो पूर्ण क्षमताको भौतिकी अनुसन्धान (फिजिक्स रन) सन् २०११ को मे महिनाबाट सुरु भयो। यसै आधारमा आइसक्यूब परियोजना सन् २०११ मा पूर्ण रूपमा निर्माण भइसकेको मानिन्छ।

यस अब्जरभेट्रीको आकार र दायरा सामान्य सोचभन्दा धेरै विशाल छ। यसका ८६ वटा केबलहरू अण्टार्क्टिक बरफको सतहभन्दा एक हजार ४ सय ५० देखि २ हजार ४ सय ५० मिटरमुमिसम्म झुण्ड्याइएका छन्, जहाँ एक केबलबाट अर्को केबलको दूरी १२५ मिटर राखिएको छ। प्रत्येक केबलमा १७ मिटरको अन्तरमा ६० वटा प्रकाश-संवेदनशील सेन्सरहरू जडान गरिएका छन्, जसअनुसार कुल सेन्सरको सङ्ख्या ५ हजार १ सय ६० पुग्छ। यी सेन्सरहरूले घेरेको एक घन किलोमिटर बरफको तौल मात्रै लगभग एक अर्ब टन हुन्छ।

यो अब्जरभेट्री हाल अमेरिकी राष्ट्रिय विज्ञान प्रतिष्ठानको प्रत्यक्ष व्यवस्थापनमा सञ्चालन भइरहेको छ। यसलाई १४ वटा देशका ५८ वटा अनुसन्धान संस्था र करिब ४ सय ५० जना वैज्ञानिक तथा प्राविधिकहरूको अन्तर्राष्ट्रिय सहकार्यमा सञ्चालन गरिन्छ। हाल्जेनका अनुसार, धेरैजसो विशाल वैज्ञानिक प्रयोगहरू एक-दुई दशकपछि कमजोर हुँदै जान्छन्, तर आइसक्यूब भने अझै पनि परिष्कृत हुँदै र विस्तार भइरहेको छ।हाल्जेन

ले यस चुनौतीपूर्ण परियोजनाको उच्च जोखिमलाई पनि सहर्ष स्वीकार गरेका छन्। उनका अनुसार करिब १५ वर्षको अध्ययन-विकास र थप एक दशकको निरन्तर निर्माणपछि पनि यस प्रयोगबाट निश्चित नतिजा आउँछ भन्ने कुनै ग्यारेन्टी थिएन। धेरैजसोले यसबाट केही पनि पत्ता लाग्न सक्दैन भन्ने ठानेका थिए। प्रतिष्ठित विज्ञान पत्रिका ‘साइन्स’ का अनुसार नोबेल पुरस्कार घोषणापछिको पत्रकार सम्मेलनमा उनले भनेका थिए, ‘आफैँसहित अत्यन्तै थोरै मानिसहरूले मात्र यो परियोजनाले काम गर्ला भन्ने विश्वास गरेका थिए।’

अर्थात्, स्वयं आफ्नै पूर्ण विश्वास नरहेको चुनौतीपूर्ण परियोजनाको नेतृत्व पनि उनले दशकौँसम्म सफलताका साथ सम्हालेका थिए।

आवाजको भीडमा सङ्केत खोज्दै

आइसक्यूबको निर्माण पूरा भएपछि पनि अनुसन्धान प्रक्रिया सहज भने थिएन। यसले दर्ता गर्ने अधिकांश विवरणहरू वास्तवमा होहल्लाजन्य सङ्केत मात्र थिए। अण्टार्क्टिकामाथि वायुमण्डलमा ब्रह्माण्डीय किरणहरूले सिर्जना गरेका १० करोडभन्दा बढी म्युओन कणहरू हरेक दिन यसका सेन्सरहरूसम्म पुग्थे। त्यसका अतिरिक्त, पृथ्वीको अर्को गोलार्द्धको वायुमण्डलमा बनेका केही सय न्युट्रिनोहरू सिङ्गो पृथ्वीलाई नै पार गरेर त्यहाँ आइपुग्थे।

वैज्ञानिकहरूले यस जटिल समस्याको पनि रचनात्मक समाधान निकाले। उनीहरूले डिटेक्टरको बाहिरी तहलाई एक प्रकारको रोकथाम वा सुरक्षात्मक कवचका रूपमा प्रयोग गरे। यसअन्तर्गत डिटेक्टरको भित्री केन्द्रीय भागमा मात्र सक्रिय हुने न्युट्रिनोहरूलाई प्राथमिकताका साथ छानियो, जसले बाहिरबाट आउने अनावश्यक सङ्केतहरूलाई पूर्ण रूपमा हटाउन मद्दत पुर्‍यायो।

पहिलो भरपर्दो तथा विश्वसनीय नतिजा भने संयोगवश फेला परेको थियो। अझ उच्च ऊर्जाका कणहरूको खोजी गर्ने क्रममा ती नतिजाहरू सतहमा आएका थिए। ती प्रत्येक न्युट्रिनोले करिब एक पेटाइलेक्ट्रोनभोल्ट ऊर्जा सञ्चित गरेका थिए, जुन लार्ज ह्याड्रन कोलाइडरले प्रत्येक प्रोटोनलाई दिने ऊर्जाभन्दा सयौँ गुणा बढी हो।

सन् २०१३ मा आइसक्यूब टोलीले सौर्यमण्डलबाहिरबाट आएका २८ वटा न्युट्रिनोहरू सफलतापूर्वक पत्ता लगाएको घोषणा गर्‍यो। तीमध्ये ‘बर्ट’ र ‘अर्नी’ नाम दिइएका दुई न्युट्रिनोहरू हालसम्म दर्ता गरिएका सबैभन्दा उच्च ऊर्जाका न्युट्रिनो थिए।

यो महत्त्वपूर्ण खोज प्रतिष्ठित वैज्ञानिक पत्रिका ‘साइन्स’ मा प्रकाशित भयो। पछि वृहत् तथ्याङ्कको विश्लेषण गर्दा यी न्युट्रिनोहरू वायुमण्डलीय उत्पत्तिका हुन् भन्ने सम्भावनालाई ५.७ सिग्माको सांख्यिकीय शुद्धताका साथ पूर्ण रूपमा अस्वीकार गरियो।

भौतिकशास्त्रीहरू कुनै पनि नयाँ खोजलाई आधिकारिक रूपमा दाबी गर्न कम्तीमा ५ सिग्माको मापदण्ड आवश्यक ठान्छन्। हाल्जेन यस उपलब्धिलाई आफ्नो जीवनकै सबैभन्दा ठूलो खोज मान्छन्। अन्तर्राष्ट्रिय सम्मेलनहरूमा बोल्दा उनी प्रायः गर्वका साथ भन्ने गर्छन्, ‘न्युट्रिनो खगोलशास्त्र अब अस्तित्वमा आइसकेको छ’ ।

सूर्यभन्दा परको न्युट्रिनो

विगतका न्युट्रिनो सम्बन्धी खोजहरूसँग तुलना गर्दा आइसक्यूबको यो अभूतपूर्व उपलब्धि झनै स्पष्ट भएर आउँछ। वैज्ञानिकद्वय रेमन्ड डेभिस जुनियर र मासाटोसी कोशिबाले नोबेल पुरस्कार जित्दा अध्ययन गरेका न्युट्रिनोहरू सूर्य र १,६०,००० प्रकाशवर्ष टाढा रहेको सुपरनोभा (विस्फोटित तारा) बाट मात्र आएका थिए। तिनको ऊर्जा आइसक्यूबले दर्ता गरेको ऊर्जाको तुलनामा करिब एक अर्ब गुणा कम थियो। आइसक्यूबले हालसम्म मापन गरेको सबैभन्दा बढी ऊर्जावान न्युट्रिनोमा अनुमानित ११.४ पेटाइलेक्ट्रोनभोल्ट सम्मको शक्ति रहेको पाइएको थियो।

हाल्जेनका अनुसार यो विशिष्ट ऊर्जाको दायरा आफैँमा अत्यन्तै मूल्यवान छ। ‘फर्मिल्याब’ जस्ता अनुसन्धान केन्द्रहरूसँग तुलना गर्दा आइसक्यूबमा फेला पर्ने न्युट्रिनोको सङ्ख्या निकै कम हुन्छ, तर तीमध्ये केहीको ऊर्जा भने दश लाख गुणासम्म बढी हुने गर्छ। त्यसैले आइसक्यूबले सुदूर ब्रह्माण्डको अध्ययन गर्नुका साथै समग्र न्युट्रिनो भौतिकशास्त्रको विकासमा पनि महत्त्वपूर्ण योगदान पुर्‍याउने अपेक्षा उनले राखेका छन्।

न्युट्रिनो टेलिस्कोप परम्परागत टेलिस्कोपहरूभन्दा बिलकुलै फरक सिद्धान्तमा आधारित भएर काम गर्दछ। बेल्जियमको ‘इओस’ पत्रिकासँगको कुराकानीमा हाल्जेनले यसलाई सहज ढङ्गले बुझाएका थिए। उनले आइसक्यूबलाई “ब्रह्माण्डतर्फ चियाउने एउटा विशेष टेलिस्कोप” का रूपमा परिभाषित गरे, जसले दृश्य प्रकाशको सट्टा न्युट्रिनो कणहरूको प्रयोग गर्छ। उनका अनुसार जुनसुकै क्षणमा पनि लाखौँ न्युट्रिनो कणहरू यस डिटेक्टरलाई छेडेर गइरहेका हुन्छन्। तीमध्ये अधिकांश सूर्य वा पृथ्वीको वायुमण्डलबाटै आएका हुन्छन्, जसमा उनको खासै चासो छैन; तर तीमध्ये थोरै सङ्ख्याका न्युट्रिनोहरू भने ब्रह्माण्डका अत्यन्तै विषम र शक्तिशाली क्षेत्रहरूबाट सिर्जना भएर आइपुगेका हुन्छन्।

स्रोत कहाँ छ?

न्युट्रिनो अस्तित्वमा छन् भन्ने प्रमाण फेला पर्नु पहिलो चरण मात्र थियो; तिनको वास्तविक स्रोत पत्ता लगाउनु अर्को मुख्य चुनौती थियो। हाल्जेनले एपीएससँगको कुराकानीमा अति उच्च ऊर्जाका कस्मिक न्युट्रिनोहरू देख्नु ‘अपेक्षाकृत सजिलो’ भए पनि तिनको सटीक उत्पत्तिस्थल पहिल्याउनु बिलकुलै भिन्न र जटिल प्रश्न रहेको उल्लेख गरेका छन्।

सन् २०१७ मा यस दिशामा पहिलो ठूलो सफलता हात पर्यो। एउटा उच्च ऊर्जाको न्युट्रिनो ‘TXS 0506+056’ नाम दिइएको ‘ब्लाजार’ को दिशाबाट पृथ्वीतर्फ आयो। ब्लाजार भनेको यस्तो शक्तिशाली आकाशगंगा हो, जसको केन्द्रमा रहेको विशाल कालो छिद्र (ब्ल्याक होल) ले ऊर्जाको शक्तिशाली जेट सोझै पृथ्वीतर्फ फ्याँक्छ। पृथ्वीबाट करिब ४ अर्ब प्रकाशवर्ष टाढा अवस्थित यस आकाशगंगामा ऊर्जाको मुख्य स्रोत विशाल कालो छिद्र नै हो।

उक्त न्युट्रिनो आएको दिशा ब्लाजारको आकाशीय अवस्थितिभन्दा/स्थानभन्दा मात्र ०.०६ डिग्रीको अन्तरमा थियो। पुराना अभिलेखहरूको अध्ययन गर्दा सोही स्थानबाट अघिल्लो समयमा पनि न्युट्रिनोको अर्को विस्फोट भएको भेटियो, तर त्यो ३.५ सिग्माको सांख्यिकीय शुद्धतामा सीमित थियो; जुन आधिकारिक खोज दाबी गर्ने मापदण्डभन्दा निकै कम हो।

अर्को सम्भावित लक्ष्य ‘एनजीसी १०६८’ हो। ‘एम७७’ नामले पनि चिनिने यो सक्रिय आकाशगंगा पृथ्वीबाट करिब ४ करोड ६० लाख प्रकाशवर्ष टाढा ‘सिटस’ तारामण्डलमा अवस्थित छ। आइसक्यूबले यसको दिशाबाट ७९ वटा न्युट्रिनोहरू दर्ता गरेको छ, जसको सांख्यिकीय शुद्धता ४.२ सिग्मा छ। यद्यपि, नोबेल समितिको आफ्नै आधिकारिक पृष्ठभूमि विवरणअनुसार यो प्रमाण एनजीसी १०६८ लाई पूर्ण रूपमा पुष्टि भइसकेको न्युट्रिनो स्रोत मान्नका लागि अझै पर्याप्त बलियो भइसकेको छैन।

हाल्जेनले हालै मात्र आइसक्यूब टोलीले आफ्नै आकाशगंगा ‘मिल्की वे’ बाट पनि न्युट्रिनोहरू सङ्कलन गर्न थालेको जानकारी दिएका छन्। प्रतिष्ठित पत्रिका ‘साइन्स’ का अनुसार उनले एक पत्रकार सम्मेलनमा न्युट्रिनो खगोलशास्त्रको वास्तविक विज्ञान अहिले सुरुवातको चरणमा मात्र रहेको बताएका थिए। ‘मार्टिन सिड म्यागाजिन’ ले मिल्की वे सम्बन्धी यी महत्त्वपूर्ण नतिजाहरू सन् २०२३ मा सार्वजनिक भएको उल्लेख गरेको छ।

यति हुँदाहुँदै पनि ब्रह्माण्डको समग्र तस्बिर अझै अधुरो नै छ। आइसक्यूबले मिल्की वे र यी दुई दूरवर्ती आकाशगङ्गाहरूलाई सम्भावित स्रोतका रूपमा औँल्याएको भए तापनि, कुनै पनि स्रोतले हालसम्म फेला परेका अधिकांश न्युट्रिनो प्रवाहको पूर्ण व्याख्या गर्न सक्दैनन्। यसको अर्थ, एउटा ठूलो ब्रह्माण्डीय रहस्य अझै कायमै छ । ब्रह्माण्डका अधिकांश उच्च ऊर्जाका न्युट्रिनोहरू वास्तवमा कहाँबाट आइरहेका छन् भन्ने स्पष्ट उत्तर वैज्ञानिकहरूसँग अझै छैन।

श्रेयको प्रश्न

यस ऐतिहासिक पुरस्कारसँग एउटा अत्यन्तै संवेदनशील र महत्त्वपूर्ण प्रश्न पनि जोडिएको छ। आइसक्यूब कुनै एक व्यक्तिको मात्र नभई हजारौँ घण्टाको सामूहिक मिहिनेत तथा सयौँ वैज्ञानिक र इन्जिनियरहरूको दशकौँ लामो सहकार्यको प्रतिफल हो।

तर, भौतिकशास्त्रतर्फको नोबेल पुरस्कार निश्चित व्यक्तिहरूलाई मात्र प्रदान गर्ने नियम छ। त्यसैले नोबेल समितिले हाल्जेनलाई यस अवधारणाको परिकल्पना गर्ने, यसको डिजाइन तयार पार्ने र सम्पूर्ण निर्माण तथा सञ्चालन अवधिभर मुख्य अन्वेषक का रूपमा नेतृत्वदायी भूमिका निर्वाह गर्ने निर्णायक व्यक्तित्वका रूपमा चयन गरेको हो।

‘फिट्जगेराल्ड’ को टिप्पणी पनि यही सन्दर्भमा आएको हो। उनले यस महाअभियानमा हजारौँ मानिसहरूको सक्रिय सहभागिता रहेको स्वीकार गर्दै पनि, यसको वास्तविक सुरुवात भने एकै व्यक्तिबाट भएको कुरामा विशेष जोड दिएका छन् । हाल्जेनले नै आइसक्यूबको नेतृत्व सम्हाल्दै यसलाई विश्वव्यापी अनुदान र स्रोतहरूसँग जोड्ने काम गरेका थिए।

हाल्जेन स्वयं पनि यस अन्तर्राष्ट्रिय सहकार्यलाई ठूलो उपलब्धि मान्छन्। एपीएसको विवरणमा उनले भनेका छन् कि अमान्डा र आइसक्यूबको करिब ४० वर्ष लामो यात्राका क्रममा कसैले पनि यस अवधारणालाई निरर्थक वा ‘अनुपयोगी’ भनेर पन्छाएनन्। मुख्य समस्या त केवल प्राविधिक जटिलताको मात्र थियो।

पुरस्कार र सम्मानको लामो सूची

नोबेल पुरस्कार प्राप्त गर्नुअघि नै हाल्जेनले धेरै प्रतिष्ठित सम्मान तथा पुरस्कारहरू प्राप्त गरिसकेका थिए । उनले सन् २०२६ को ‘एपीएस मेडल फर एक्सेप्शनल एचिभमेन्ट इन रिसर्च’ प्राप्त गरे, जुन अमेरिकन फिजिकल सोसाइटीले प्रदान गर्ने सर्वोच्च अनुसन्धान पुरस्कार हो। यसअघि उनले सन् २०२१ मा अमेरिकन एस्ट्रोनोमिकल सोसाइटीको ‘ब्रुनो रोसी पुरस्कार’ र आईयूपीएपको ‘होमी भाभा पुरस्कार’ प्राप्त गरेका थिए। त्यस्तै, सन् २०१९ मा उनलाई आईयूपीएपकै ‘योध पुरस्कार’ प्रदान गरिएको थियो। एस्ट्रोपार्टिकल फिजिक्स क्षेत्रमा पुर्‍याएको अतुलनीय योगदानका लागि उनले स्विट्जरल्यान्डको प्रतिष्ठित ‘बाल्जान पुरस्कार’ पनि प्राप्त गरिसकेका छन्।

उनी अमेरिकाको प्रतिष्ठित राष्ट्रिय विज्ञान एकेडेमीको सदस्यमा समेत निर्वाचित भइसकेका छन्। सन् २०१३ मा उनलाई बेल्जियमको गेन्ट विश्वविद्यालयले मानद विद्यावारिधि उपाधिबाट विभूषित गरेको थियो। अण्टार्क्टिकाको एउटा पहाडी चुचुरोको नामसमेत उनकै सम्मानमा राखिएको छ। सन् २००५ मा नामकरण गरिएको ‘हाल्जेन मेसा’ नामक उक्त चुचुरो उनी कार्यरत रहेको भूमिमा उनको विशिष्ट योगदानको एक स्थायी प्रतीक बनेर उभिएको छ।