कुछ भौतिक गुणों का अत्यधिक परिशुद्धता से परीक्षण करने वाले अध्ययन इन दिनों लोकप्रियता प्राप्त कर रहे हैं क्योंकि कई भौतिक विज्ञानी जानबूझकर छोटे-छोटे उभारों की तलाश कर रहे हैं – इतने छोटे कि उन्हें करीब से देखने के बिना ध्यान नहीं दिया जाएगा – एक ऐसे सिद्धांत में जो शक्तिशाली तो है लेकिन अधूरा है। यह कण भौतिकी का मानक मॉडल है।
यह विभिन्न कणों के अस्तित्व को मानता है; उनमें से आखिरी हिग्स बोसोन था, जो 2012 में पाया गया था। लेकिन जबकि मॉडल अधूरा है, इसके कणों का चिड़ियाघर और उनकी सामूहिक बातचीत प्रकृति और ब्रह्मांड के बारे में बहुत कुछ समझाने में सक्षम नहीं है। उदाहरण के लिए, मॉडल यह नहीं बताता कि डार्क मैटर क्या है और डार्क एनर्जी की व्याख्या नहीं कर सकता। हम नहीं जानते कि हिग्स बोसोन इतना भारी क्यों है या अन्य मूलभूत बलों की तुलना में गुरुत्वाकर्षण इतना कमजोर क्यों है।
एंटीमैटर कहां गया?
मॉडल यह भी भविष्यवाणी करता है कि जब ब्रह्मांड का निर्माण हुआ था, तो इसमें समान मात्रा में पदार्थ और एंटीमैटर होना चाहिए था – जो कि स्पष्ट रूप से नहीं था।
दो पदार्थों की समान मात्रा एक दूसरे को नष्ट कर देगी, जिससे प्रकाश के रूप में ऊर्जा निकलेगी, इसलिए ब्रह्मांड को प्रकाश से भरा होना चाहिए था। फिर भी, आज ब्रह्माण्ड में प्रचुर मात्रा में पदार्थ मौजूद है और कोई एंटीमैटर नहीं है। यह मानक मॉडल में दोष खोजने की खोज में जांच की एक महत्वपूर्ण पंक्ति है, एक ऐसा किनारा जो अधूरा है और इनमें से कुछ या सभी रहस्यों को सुलझाने के लिए ‘नई भौतिकी’ की ओर ले जा सकता है।
में एक नया अध्ययन प्रकाशित हुआ विज्ञानकोलोराडो विश्वविद्यालय, बोल्डर के शोधकर्ताओं की रिपोर्ट है कि उन्हें इलेक्ट्रॉनों के साथ एक प्रयोग में एक निश्चित प्रकार की ‘नई भौतिकी’ का कोई सबूत नहीं मिला। इस परीक्षण में अब तक की उच्चतम सटीकता का प्रमाण मिला।
नकारात्मक परिणाम महत्वपूर्ण है क्योंकि यह भौतिकविदों को बताएगा कि कौन से वैकल्पिक सिद्धांत संभव हैं। उदाहरण के लिए, यदि कोई सिद्धांत भविष्यवाणी करता है कि एक इलेक्ट्रॉन बहुत मजबूत विद्युत क्षेत्र की उपस्थिति में एक्स होगा, लेकिन नए शोध परिणाम असहमत हैं, तो भौतिक विज्ञानी अब इस संभावना को खारिज करने के लिए अपने सिद्धांत को संशोधित करना जानते हैं। पहले एक अलग प्रयोग के इसी तरह के परिणामों ने भौतिकविदों को बताया कि वे जिस सबूत की तलाश कर रहे थे वह यूरोप के लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर में नहीं मिल सकता है।
सखारोव की स्थितियाँ
1967 में, सोवियत भौतिक विज्ञानी (और नोबेल शांति पुरस्कार विजेता) आंद्रेई सखारोव ने पदार्थ-एंटीमैटर असममिति समस्या पर विचार किया और शर्तों का एक सेट पेश किया, जो अगर पूरा होता, तो ब्रह्मांड को अधिक पदार्थ और एंटीमैटर बनाने की अनुमति मिलती। ये हैं (i) बेरिऑन संख्या का उल्लंघन, (ii) सी- और सीपी-समरूपता का उल्लंघन, और (iii) बेरिऑन उत्पादन दर ब्रह्मांड की विस्तार दर से धीमी होनी चाहिए।
पदार्थ को बनाने वाले मूलभूत कणों में से एक क्वार्क है। बेरिऑन तीन क्वार्क से बना एक कण है। उदाहरणों में प्रोटॉन और न्यूट्रॉन शामिल हैं। प्रत्येक बैरियन को एक बैरियन नंबर दिया जाता है: क्वार्क की संख्या घटाकर एंटी-क्वार्क की संख्या, 3 से विभाजित की जाती है। मानक मॉडल के नियमों के अनुसार, जब एक बेरिऑन दूसरे कण के साथ संपर्क करता है, तो बेरिऑन संख्या संरक्षित रहती है, यानी बातचीत की शुरुआत में बेरिऑन की कुल संख्या अंत में संख्या के बराबर होनी चाहिए।
लेकिन सखारोव की पहली शर्त यह है कि एंटीमैटर पर पदार्थ का प्रभुत्व हासिल करने के लिए परस्पर क्रिया के इस नियम को तोड़ना होगा। यानी, यह अंतःक्रिया एंटी-बेरिऑन (यानी एंटी-क्वार्क से बने बेरिऑन) की तुलना में अधिक बेरिऑन उत्पन्न करेगी।
सी-समरूपता ‘आवेश संयुग्मन समरूपता’ का संक्षिप्त रूप है। चार्ज संयुग्मन एक ऐसी प्रक्रिया है जो एक कण को उसके एंटी-कण से बदल देती है और परिणामस्वरूप उसके चार्ज को उलट देती है (सकारात्मक से नकारात्मक या नकारात्मक से सकारात्मक)। यदि सी-समरूपता का उल्लंघन होता है, तो भी होगा अधिक प्रक्रियाएँ जो एंटी-बैरिऑन की तुलना में अधिक बेरिऑन उत्पन्न करते हैं।
सी-समरूपता की तरह, पी-समरूपता समता समरूपता का तात्पर्य है: यदि कणों के बीच एक निश्चित बातचीत वैध है, तो इसकी दर्पण-छवि – यानी, आप दर्पण में बातचीत कैसे देखेंगे – समान रूप से मान्य होनी चाहिए। सीपी-समरूपता एक ऐसी अंतःक्रिया को संदर्भित करती है जो सी-समरूपता और पी-समरूपता का एक साथ उल्लंघन करती है।
सखारोव की अंतिम शर्त यह है कि जिस दर पर बेरिऑन और एंटी-बेरियन का उत्पादन होता है वह ब्रह्मांड के विस्तार से अधिक होना चाहिए। यह एक सरल सिद्धांत से उपजा है। एक काल्पनिक रासायनिक प्रतिक्रिया पर विचार करें: ए + बी → सी + डी. जैसे-जैसे प्रतिक्रिया आगे बढ़ती है, की मात्रा ए + बी इसकी मात्रा कम हो जायेगी सी + डी जमा किया जायेगा. यह प्रतिक्रिया को स्वयं उलट सकता है: सी + डी → ए + बी. इस तरह के उलटफेर को रोकने के लिए, सबसे आसान काम कुछ ऐसी स्थितियों की पहचान करना है जो इसकी अनुमति देती हैं ए + बी → सी + डी लेकिन कोई नहीं सी + डी → ए + बीजैसे, उदाहरण के लिए, उच्च तापमान बनाए रखना और फिर उस स्थिति को लागू करना।
इसी प्रकार, तीसरी सखारोव स्थिति में कहा गया है कि ब्रह्मांड को उस दर से अधिक तेजी से विस्तार करना चाहिए जिस दर पर बेरिऑन का उत्पादन होता है, ताकि एक प्रतिपूरक उत्क्रमण प्रक्रिया उत्पन्न न हो जिससे एंटी-बेरियन की संख्या बढ़ जाए।
अब तक, भौतिकविदों ने सी- और सीपी-समरूपता उल्लंघन की खोज की है, लेकिन केवल उन कणों में जिनमें क्वार्क होते हैं। परिणामी पदार्थ-एंटीमैटर असममिति आज ब्रह्मांड में पदार्थ के प्रभुत्व को समझाने के लिए अपर्याप्त है। इसका मतलब है कि कुछ ‘नई भौतिकी’ होनी चाहिए, यानी मानक मॉडल का विस्तार, जो आगे सीपी-समरूपता को तोड़ने की अनुमति देता है।
इलेक्ट्रॉन द्विध्रुव आघूर्ण
सीपी-समरूपता एक डायडिक समरूपता है – इसके दो भाग हैं – यह वास्तव में सीपीटी नामक एक बड़ी त्रियादिक समरूपता का हिस्सा है। ‘टी’ समय के लिए है, और टी-समरूपता का अर्थ है कि जब समय पीछे की ओर बहता है तो जिस दिशा में कण की परस्पर क्रिया आगे की ओर अनुकूल होती है, उसे विपरीत दिशा में अनुकूल किया जाना चाहिए। अर्थात् भौतिकी के नियम समय में आगे और पीछे एक समान हैं। सीपी-समरूपता उल्लंघन को टी-समरूपता उल्लंघन के बराबर माना जाता है।
अपने नए अध्ययन में, कोलोराडो विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने जांच की कि क्या इलेक्ट्रॉन का विद्युत आवेश उसके केंद्र में स्थित है या एक तरफ थोड़ा हटकर है। यदि यह वास्तव में बंद होता, तो इलेक्ट्रॉन में एक द्विध्रुव होता: कण के एक तरफ अधिक नकारात्मक चार्ज और दूसरी तरफ अधिक सकारात्मक चार्ज। और ऐसा द्विध्रुव टी-समरूपता का उल्लंघन करेगा।
द्विध्रुव में एक बल होता है, जिसे द्विध्रुव आघूर्ण कहा जाता है, यह इस बात पर निर्भर करता है कि इलेक्ट्रॉन का आवेश केंद्र से कितना दूर है। “यदि समय उलटा होता, [an electron’s spin] उलट दिया जाएगा और [electric dipole moment] समय-परिवर्तन से पहले की तुलना में मौलिक रूप से अलग नहीं दिखेगा,” कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, सांता बारबरा के स्वतंत्र भौतिक विज्ञानी मिंग्यू फैन और एंड्रयू ज़ाइच ने नए पेपर के साथ एक टिप्पणी में लिखा। विज्ञान.
मानक मॉडल इलेक्ट्रॉनों को 10 विद्युत द्विध्रुव क्षण तक की अनुमति देता है-38इ सेमी (इ इलेक्ट्रॉन का आवेश)। इससे अधिक कुछ भी और मॉडल टूट जाएगा, जो कुछ ‘नए भौतिकी’ प्रभाव का संकेत देगा।
इलेक्ट्रॉन विद्युत द्विध्रुव क्षण (ईईडीएम) को देखने के प्रयोग ने एक इलेक्ट्रॉन की दो अवस्थाओं के बीच ऊर्जा अंतर को मापा – एक जब इसका स्पिन बाहरी विद्युत क्षेत्र के साथ संरेखित होता है और दूसरा जब इसका स्पिन क्षेत्र के विरुद्ध संरेखित होता है। ईईडीएम की अनुपस्थिति में, ऊर्जा अंतर शून्य होना चाहिए। यदि कोई ईईडीएम मौजूद है, तो इलेक्ट्रॉन अवस्थाओं में से एक में थोड़ी अधिक ऊर्जा होनी चाहिए और अंतर का उपयोग इसके मूल्य की गणना के लिए किया जा सकता है।
अत्याधुनिक तकनीकें
बाहरी विद्युत क्षेत्र मजबूत होने पर अंतर अधिक स्पष्ट होता है। प्रौद्योगिकी इस हद तक उन्नत हो गई है कि भौतिक विज्ञानी अपनी प्रयोगशालाओं में बेहद मजबूत क्षेत्रों का उपयोग कर सकते हैं, लेकिन सबसे मजबूत क्षेत्र अभी भी प्रकृति में मौजूद हैं। नए अध्ययन में, भौतिकविदों ने हेफ़नियम फ्लोराइड (एचएफएफ) अणुओं में वैलेंस इलेक्ट्रॉनों का अध्ययन किया, लगभग 23 बिलियन वी/सेमी का विद्युत क्षेत्र लागू किया – जो शोधकर्ता प्रयोगशाला में बना सकते हैं उससे 10,000 गुना अधिक मजबूत, भले ही कम दूरी पर।
अध्ययन करने की तुलना में कहना आसान है, इसके लिए परिष्कृत उपकरणों और तकनीकों के एक सेट की आवश्यकता होती है – कुछ मापने के लिए, अन्य शामिल मूल्यों की छोटीता के कारण परिणामी डेटा में शोर और अनिश्चितता को कम करने के लिए। शोध दल ने हजारों एचएफएफ अणुओं को आयनित किया और उन्हें विशिष्ट ऊर्जा अवस्था में लाने के लिए लेजर का उपयोग करके फंसाया। शोर को अस्वीकार करने के लिए जाल के कुछ हिस्सों पर एक बाहरी चुंबकीय क्षेत्र लागू किया गया था। अणुओं को उन्मुख करने के लिए एक छोटा विद्युत क्षेत्र भी लागू किया गया था।
एक बार सेटअप तैयार हो जाने के बाद, टीम ने दो ऊर्जा अवस्थाओं में इलेक्ट्रॉन बनाए और फिर रैमसे स्पेक्ट्रोस्कोपी नामक तकनीक का उपयोग करके उनके बीच ऊर्जा अंतर को मापा।
कोलोराडो विश्वविद्यालय में डॉक्टरेट के छात्र हुआनकियान लू के 2013 के पेपर के अनुसार, यदि बाहरी विद्युत क्षेत्र मजबूत है, यदि माप लंबे समय तक सुसंगत है, और यदि सिग्नल-टू-शोर अनुपात अधिक है (यानी यदि एक इलेक्ट्रॉन अक्सर दो राज्यों के बीच फ़्लिप करता है) तो ईईडीएम माप अधिक संवेदनशील होता है। इसलिए अधिक संवेदनशील माप करने के लिए, टीम को इन सभी सुविधाओं के लिए अनुकूलन करना पड़ा।
अंततः, टीम ने अनुमान लगाया कि इलेक्ट्रॉन का eEDM 4.1 × 10 से कम होगा-30इ 90% आत्मविश्वास पर सेमी. टीम के पेपर में कहा गया है कि “परिणाम शून्य के अनुरूप हैं और पिछली सर्वोत्तम ऊपरी सीमा में ~2.4 के कारक से सुधार हुआ है।” माप अभी भी मानक मॉडल द्वारा अनुमत सीमा से आठ ऑर्डर अधिक है, लेकिन उपयोगी है क्योंकि यह पिछले मापों की तुलना में करीब है।
चूंकि परिणाम एक निश्चित ऊर्जा स्तर तक “शून्य के अनुरूप” है, यह उस स्तर तक काल्पनिक ‘नए भौतिकी’ कणों के अस्तित्व को भी खारिज करता है। डॉ। फैन और ज़ीच ने इस प्रभाव की प्रशंसा की जब उन्होंने इसकी तुलना “सर्न के लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर से की, जिसे बनाने में लगभग 4.75 बिलियन डॉलर और सालाना 1 बिलियन डॉलर की लागत आती है” “एक उपकरण जो एक टेबल पर फिट बैठता है” और प्रकृति की निम्न ऊर्जा स्तर तक जांच करता है, भले ही अलग तरीके से।
टिप्पणी में कहा गया है, “कई प्रणालियों में ईईडीएम माप से प्राप्त ज्ञान भविष्य में उच्च-ऊर्जा कण टकराव की आवश्यकता को इंगित करने में मदद करेगा जो समय-समरूपता-उल्लंघन करने वाले कणों का उत्पादन कर सकता है जो प्रारंभिक ब्रह्मांड में पदार्थ-एंटीमैटर विषमता के लिए जिम्मेदार हैं।”
