Physics in Safety and Safety in Physics: Lessons from the LHC and its Underground Experiments

स्विट्जरलैंड-फ्रांस सीमा की लहरदार पहाड़ियों के नीचे, जमीन में बहुत गहराई में, एक ऐसी मशीन बनाई गई है जो ब्रह्मांड के सबसे मौलिक प्रश्नों का उत्तर देने के लिए है। यह सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट्स, वैक्यूम पाइपों और डिटेक्टरों का एक वलय (रिंग) है जो चौंतीस किलोमीटर की परिधि में फैला हुआ है, जिसे प्रकाश की गति के करीब की गति पर प्रोटॉन को आपस में टकराने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यह लार्ज हैड्रोन कोलाइडर (LHC) है, जो इंजीनियरिंग का एक ऐसा चमत्कार है जो ऊर्जा की विशाल मात्रा उत्पन्न करता है, शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्र बनाता है, और गहरे अंतरिक्ष से भी अधिक ठंडे तापमान पर संचालित होता है। बाहरी पर्यवेक्षक के लिए, लक्ष्य सरल है: प्रकृति के नए नियमों की खोज के लिए कणों को टकराना। लेकिन उन वैज्ञानिकों और इंजीनियरों के लिए जो इस मशीन को चलाते हैं, खोज का मार्ग एक अलग तरह की चुनौती से भरा है। वे बल जो प्रयोग को संभव बनाते हैं—बीम की संचित ऊर्जा, उन्हें अपनी जगह पर बनाए रखने वाले चुंबकीय क्षेत्र, चुंबकों को ठंडा रखने वाला तरल हीलियम—वही सबसे महत्वपूर्ण खतरों के स्रोत भी हैं। यदि कुछ गलत हो जाता है, तो मुक्त होने वाली ऊर्जा मशीन को नुकसान पहुँचा सकती है, पास में काम करने वाले लोगों को नुकसान पहुँचा सकती है, या सुरंगों के वातावरण को बदल सकती है।

दशकों से, वैज्ञानिक समुदाय ने प्रयोग के भौतिकी (फिजिक्स) और सुविधा की सुरक्षा को दो अलग-अलग रास्तों के रूप में माना है। एक टीम डेटा को अधिकतम करने के लिए टकरावों को डिजाइन करती है; दूसरी टीम सबको सुरक्षित रखने के लिए बाड़, अलार्म और आपातकालीन स्टॉप बनाती है। मैनहट्टन यूनिवर्सिटी और CERN दोनों में अनुभव रखने वाले एक भौतिक विज्ञानी, अलेक्जेंडर साखरोव, का तर्क है कि यह अलगाव एक भ्रम है। एक नए विश्लेषण में, वे तर्क देते हैं कि सुरक्षा कोई बाहरी परत नहीं है जिसे मशीन के डिजाइन के पूरा होने के बाद जोड़ा जाता है। इसके बजाय, सुरक्षा प्रयोग के भौतिक ताने-बाने में बुनी हुई है। भौतिकी के वे नियम जो कोलाइडर को काम करने की अनुमति देते हैं, वे ही यह भी निर्धारित करते हैं कि यह कैसे विफल हो सकता है, और उन विफलताओं को रोकने के लिए बनाए गए सिस्टम ही वे सीमाएं परिभाषित करते हैं जिनके भीतर विज्ञान घटित हो सकता है।

साखरोव का कार्य मशीन और उसकी सुरक्षा प्रणालियों के बीच के संबंध को फिर से परिभाषित करता है। उनका सुझाव है कि हमें कोलाइडर को केवल पुर्जों के संग्रह के रूप में नहीं, बल्कि एक एकल, जटिल प्रणाली के रूप में सोचना चाहिए जो संभावित अवस्थाओं (states) के एक विशाल स्थान के माध्यम से चलती है। इनमें से कुछ अवस्थाएँ सुरक्षित हैं, जबकि अन्य आपदा की ओर ले जाती हैं। सुरक्षा इंजीनियरिंग का लक्ष्य केवल मशीन के टूटने पर उसे रोकना नहीं है, बल्कि उन सुरक्षित पथों को मानचित्रित करना है जिनसे होकर मशीन गुजर सकती है। एक सुरक्षित पथ केवल किसी विशिष्ट क्षण में एक सुरक्षित स्थान पर होना नहीं है; यह इस बारे में है कि मशीन वहां कैसे पहुँची और वह अगले चरण में कैसे बढ़ती है। जिस तरह एक चालक को खाई से बचने के लिए एक विशिष्ट मार्ग का पालन करना चाहिए, उसी तरह कोलाइडर को अपनी संचित ऊर्जा को इस तरह से मुक्त होने से बचाने के लिए कार्यों के एक विशिष्ट क्रम का पालन करना चाहिए जिससे नुकसान हो सके। यदि मशीन बहुत तेज़ी से एक अवस्था से दूसरी अवस्था में जाने की कोशिश करती है, या यदि वह ऐसे विन्यास (configuration) से गुजरती है जिसे मान्य नहीं किया गया है, तो सुरक्षा प्रणालियाँ उसे रोक देंगी।

यह शोध पत्र लार्ज हैड्रोन कोलाइडर और उसके दो विशाल डिटेक्टरों, ATLAS और CMS, का उपयोग इस विचार को समझाने के लिए प्राथमिक उदाहरण के रूप में करता है। ये डिटेक्टर निष्क्रिय उपकरण नहीं हैं; वे अपने आप में सक्रिय, ऊर्जावान प्रणालियाँ हैं। उनमें अपने स्वयं के सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट्स होते हैं, जो गीगाजूल ऊर्जा संचित करते हैं, और कूलिंग एवं इलेक्ट्रिकल सिस्टम के जटिल नेटवर्क होते हैं। जब कोई चुंबक अचानक अपनी सुपरकंडक्टिंग क्षमता खो देता है, जिसे 'क्वेंच' (quench) नामक घटना कहा जाता है, तो संचित चुंबकीय ऊर्जा को सुरक्षित रूप से नष्ट होना चाहिए, अन्यथा यह उपकरणों को पिघला सकता है। इसी तरह, चुंबकों को ठंडा करने के लिए उपयोग किया जाने वाला तरल हीलियम, यदि गर्म होकर गैस में बदल जाता है, तो एक हजार गुना तक फैल जाता है। यदि ऐसा एक सीमित भूमिगत सुरंग में होता है, तो यह ऑक्सीजन को विस्थापित कर सकता है, जिससे वहां काम करने वाले किसी भी व्यक्ति के लिए खतरा पैदा हो सकता है। साखरोव दिखाते हैं कि प्रोटॉन की बीम कैसे व्यवहार करेगी, इसका अनुमान लगाने के लिए उपयोग किए जाने वाले भौतिक मॉडल वही मॉडल हैं जिनकी आवश्यकता हीलियम के रिसाव के प्रसार की भविष्यवाणी करने के लिए होती है। टकराव का विज्ञान और खतरे का विज्ञान एक और वही है।

इस शोध पत्र की सबसे प्रभावशाली अंतर्दष्टि सुविधा के इतिहास को देखने से आती है। 2008 में, कोलाइडर के शुरू होने के कुछ ही समय बाद, सुरंग के एक विशिष्ट खंड में एक विद्युत दोष के कारण हीलियम का भारी रिसाव हुआ। इस घटना ने मशीन को नुकसान पहुँचाया और लंबे समय तक बंदी (shutdown) के लिए मजबूर किया। साखरोव बताते हैं कि यह दुर्घटना केवल एक घटक की विफलता नहीं थी; यह एक सुरक्षा मॉडल की विफलता थी। इंजीनियरों ने भविष्यवाणी की थी कि कितना हीलियम निकल सकता है, लेकिन वास्तविक घटना उन भविष्यवाणियों से अधिक थी। सीखा गया सबक यह था कि सुरक्षा ज्ञान को मशीन के साथ विकसित होना चाहिए। जैसे-जैसे सुविधा संचालित होती है, परीक्षण करती है और निकट-दुर्घटनाओं (near-misses) का सामना करती है, खतरों के प्रसार की समझ बदलती जाती है। सुरक्षा प्रणालियों को फिर इस नए ज्ञान को प्रतिबिंबित करने के लिए अपडेट किया जाता है, जिससे एक फीडबैक लूप बनता है जहाँ मशीन का अनुभव मशीन की सुरक्षा में सुधार करता है।

यह शोध पत्र यह भी रेखांकित करता है कि सुविधा के विभिन्न हिस्सों की सुरक्षा ज़रूरतें अलग-अलग होती हैं, भले ही वे समान दिखें। ATLAS और CMS प्रयोग, हालांकि एक ही भूमिगत सुरंग में स्थित हैं, उनके मैग्नेट्स और डिटेक्टरों के डिजाइन अलग हैं। फलस्वरूप, उनकी सुरक्षा प्रणालियाँ एक जैसी नहीं हैं। ATLAS मैग्नेट्स की एक विशिष्ट व्यवस्था का उपयोग करता है जिसे एक प्रकार के संरक्षण की आवश्यकता होती है, जबकि CMS एक अलग व्यवस्था का उपयोग करता है जिसे दूसरे प्रकार के संरक्षण की आवश्यकता होती है। यह सिद्ध करता है कि सुरक्षा कोई 'एक आकार सबके लिए उपयुक्त' (one-size-fits-all) नियम पुस्तिका नहीं हो सकती। इसे प्रत्येक प्रयोग की विशिष्ट भौतिक वास्तुकला के अनुरूप बनाया जाना चाहिए। एक डिटेक्टर कैसे बनाया गया है, यह निर्धारित करता है कि वह कैसे विफल हो सकता है, और इसलिए यह भी निर्धारित करता है कि उसे कैसे संरक्षित किया जाना चाहिए।

साखरोव के तर्क का एक महत्वपूर्ण हिस्सा "सुरक्षित प्रक्षेपवक्र" (safe trajectory) की अवधारणा है। केवल एक मशीन का सुरक्षित अवस्था में होना पर्याप्त नहीं है; वह पथ जिस पर वह पहुँचती है, उसे भी सुरक्षित होना चाहिए। उदाहरण के लिए, चुंबक में करंट को उसके ऑपरेटिंग स्तर तक बढ़ाने की प्रक्रिया में समय लगता है। यदि करंट बहुत तेज़ी से बढ़ाया जाता है, तो चुंबक 'क्वेंच' हो सकता है। यदि इसे बहुत धीरे बढ़ाया जाता है, तो हो सकता है कि अन्य प्रणालियों के विफल होने से पहले वह आवश्यक अवस्था तक न पहुँच पाए। सुरक्षा प्रणाली को न केवल करंट के अंतिम मान की निगरानी करनी चाहिए, बल्कि इस बात की भी कि वह कितनी गति से बदल रहा है और साथ ही होने वाली अन्य घटनाओं के क्रम की भी। इसका अर्थ है कि सुरक्षा एक गतिशील गुण है। यह कार्यों के समय, संचालन के क्रम और परिवर्तनों के अपरिवर्तनीय होने से पहले प्रतिक्रिया देने की क्षमता पर निर्भर करता है।

यह शोध पत्र इस विचार को भी संबोधित करता है कि सुरक्षा को अक्सर विज्ञान पर एक सीमा के रूप में देखा जाता है। इंजीनियरों को लग सकता है कि सुरक्षा नियम उन्हें मशीन की सीमाओं तक पहुँचने से रोकते हैं। साखरोव इसके विपरीत तर्क देते हैं। उनका सुझाव है कि मजबूत सुरक्षा प्रणालियाँ वास्तव में अधिक महत्वाकांक्षी विज्ञान को सक्षम बनाती हैं। विश्वसनीय सुरक्षा प्रणालियों के होने से, जो समस्या के कारण होने वाले नुकसान से पहले उसे पकड़ सकें और रोक सकें, वैज्ञानिक मशीन को उच्च ऊर्जा और अधिक तीव्र बीम के साथ संचालित कर सकते हैं। इन प्रणालियों के बिना, विनाशकारी विफलता का जोखिम इतना अधिक होगा कि संचालन को उचित नहीं ठहराया जा सकेगा। इस प्रकार, सुरक्षा खोज में बाधा नहीं है; यह वह आधार है जो उच्च-प्रदर्शन संचालन को संभव बनाता है। यह सुविधा को आत्मविश्वास के साथ खतरनाक भौतिक क्षेत्रों का अन्वेषण करने की अनुमति देता है, यह जानते हुए कि सीमाएँ स्पष्ट रूप से परिभाषित हैं और बाहर निकलने के रास्ते साफ हैं।

चर्चा भविष्य के कण भौतिकी (particle physics) तक विस्तृत है, जिसमें प्रस्तावित हाई-ल्यूमिनोसिटी LHC और यहाँ तक कि फ्यूचर सर्कुलर कोलाइडर जैसी अधिक महत्वाकांक्षी परियोजनाएं शामिल हैं। जैसे-जैसे ये मशीनें बड़ी और अधिक शक्तिशाली होती जा रही हैं, संचित ऊर्जा और संभावित खतरे भी बढ़ रहे हैं। साखरोव का तर्क है कि इन भविष्य की सुविधाओं के डिजाइन में शुरुआत से ही सुरक्षा को एकीकृत किया जाना चाहिए। मशीन को पहले डिजाइन करने और बाद में सुरक्षा जोड़ने के बजाय, इंजीनियरों को मशीन और उसकी सुरक्षा प्रणालियों को एक साथ डिजाइन करना चाहिए। यह दृष्टिकोण, जिसे वे "डिजाइन द्वारा सुरक्षा" (safety by design) कहते हैं, यह सुनिश्चित करता है कि सुविधा का भौतिक लेआउट सुरक्षा प्रणालियों का समर्थन करे। उदाहरण के लिए, वेंटिलेशन शाफ्ट का स्थान, इलेक्ट्रिकल सिस्टम का विभाजन, और रखरखाव के लिए घटकों की सुलभता, ये सभी ऐसे निर्णय हैं जो सुरक्षा को प्रभावित करते हैं। यदि इन पर प्रारंभिक डिजाइन चरण के दौरान विचार किया जाता है, तो सुविधा का संचालन करना आसान होगा और पूरे जीवनकाल में यह अधिक सुरक्षित रहेगी।

शोध पत्र इस बात पर जोर देते हुए समाप्त होता है कि सुरक्षा एक निरंतर चलने वाली प्रक्रिया है, न कि एक बार की उपलब्धि। एक सुविधा तभी सुरक्षित होती है जब उसके सुरक्षा तंत्र काम कर रहे हों, उसके ऑपरेटर प्रशिक्षित हों, और उसके मॉडल अद्यतित (up to date) हों। जैसे-जैसे मशीन पुरानी होती है, जैसे-जैसे घटकों को बदला जाता है, और जैसे-तैसे नई तकनीकें पेश की जाती हैं, सुरक्षा आवश्यकताओं का पुनर्मूल्यांकन किया जाना चाहिए। लार्ज हैड्रोन कोलाइडर का इतिहास दिखाता है कि सबसे सावधानीपूर्वक नियोजित प्रणालियाँ भी अप्रत्याशित समस्याओं का सामना कर सकती हैं। कुंजी एक ऐसे ढांचे को रखने में है जो सीखने और अनुकूलन की अनुमति देता है। सुरक्षा को भौतिकी के एक अभिन्न अंग के रूप में मानकर, वैज्ञानिक समुदाय ऐसी सुविधाएं बना सकता है जो न केवल महान खोजों में सक्षम हैं, बल्कि दशकों के संचालन के दौरान उन खोजों को बनाए रखने में भी सक्षम हैं।

अंत में, यह शोध पत्र कोलाइडर का एक एकीकृत दृष्टिकोण प्रस्तुत करता है। यह एक ऐसी जगह है जहाँ भौतिकी के नियम खोज के अवसर और खतरे की संभावना दोनों पैदा करते हैं। जो प्रणालियाँ मशीन को चलाने में मदद करती हैं और जो लोगों को सुरक्षित रखती हैं, वे एक ही सिक्के के दो पहलू हैं। वे एक ही भौतिक सिद्धांतों, एक ही ऊर्जा प्रवाह और सटीकता की एक ही आवश्यकता से बंधे हुए हैं। इस संबंध को समझना उच्च-ऊर्जा भौतिकी के भविष्य के लिए आवश्यक है। यह हमें याद दिलाता है कि ज्ञात की सीमाओं को आगे बढ़ाने के लिए, हमें पहले सुरक्षित रहने की सीमाओं को समझना होगा। और ऐसा करके, हम पाते हैं कि अज्ञात की ओर जाने वाला मार्ग सुरक्षा के सावधानीपूर्ण, विचारशील और गहरे भौतिक कार्य से निर्मित है।