क्या नया मापा गया डब्ल्यू बोसॉन मानक मॉडल को तोड़ सकता है?

"आप इसे जल्दी कर सकते हैं, आप इसे सस्ते में कर सकते हैं, या आप इसे सही कर सकते हैं। हमने इसे सही किया।" फ़र्मिलाब में कोलाइडर डिटेक्टर के नेता डेविड टोबैक की ये कुछ शुरुआती टिप्पणियां थीं, क्योंकि उन्होंने डब्ल्यू बोसॉन नामक कण के द्रव्यमान को मापने के लिए एक दशक के लंबे प्रयोग के परिणामों की घोषणा की थी ।

मैं एक उच्च ऊर्जा कण भौतिक विज्ञानी हूं, और मैं उन सैकड़ों वैज्ञानिकों की टीम का हिस्सा हूं, जिन्होंने इलिनोइस में फर्मिलैब में कोलाइडर डिटेक्टर का निर्माण और संचालन किया - जिसे सीडीएफ के रूप में जाना जाता है।

खरबों टकराव और डेटा संग्रह और संख्या क्रंचिंग के वर्षों के बाद, सीडीएफ टीम ने पाया कि डब्ल्यू बोसॉन का द्रव्यमान अपेक्षा से थोड़ा अधिक है । हालांकि विसंगति छोटी है, लेकिन परिणाम, 7 अप्रैल, 2022 को साइंस जर्नल में प्रकाशित एक पेपर में वर्णित हैं, ने कण भौतिकी की दुनिया को विद्युतीकृत कर दिया है । यदि माप सही है, तो यह एक और मजबूत संकेत है कि ब्रह्मांड कैसे काम करता है, इस भौतिकी पहेली में लापता टुकड़े हैं।

एक कण जो कमजोर बल को वहन करता है

कण भौतिकी का मानक मॉडल ब्रह्मांड के बुनियादी नियमों के लिए विज्ञान का वर्तमान सर्वोत्तम ढांचा है और तीन बुनियादी बलों का वर्णन करता है : विद्युत चुम्बकीय बल, कमजोर बल और मजबूत बल।

मजबूत बल परमाणु नाभिक को एक साथ रखता है। लेकिन कुछ नाभिक अस्थिर होते हैं और रेडियोधर्मी क्षय से गुजरते हैं, धीरे-धीरे कणों का उत्सर्जन करके ऊर्जा छोड़ते हैं। यह प्रक्रिया कमजोर बल द्वारा संचालित होती है, और 1900 की शुरुआत से, भौतिकविदों ने इस बात का स्पष्टीकरण मांगा कि परमाणु क्यों और कैसे क्षय होते हैं।

मानक मॉडल के अनुसार, बल कणों द्वारा प्रेषित होते हैं। 1960 के दशक में, सैद्धांतिक और प्रायोगिक सफलताओं की एक श्रृंखला ने प्रस्तावित किया कि कमजोर बल W और Z बोसॉन नामक कणों द्वारा प्रेषित होता है। इसने यह भी माना कि एक तीसरा कण, हिग्स बोसॉन, वह है जो अन्य सभी कणों को देता है - जिसमें डब्ल्यू और जेड बोसॉन शामिल हैं - द्रव्यमान।

1960 के दशक में मानक मॉडल के आगमन के बाद से, वैज्ञानिक पूर्वानुमानित अभी तक अनदेखे कणों की सूची से नीचे और उनके गुणों को मापने के लिए काम कर रहे हैं। 1983 में, जिनेवा, स्विटज़रलैंड में सर्न में दो प्रयोगों ने डब्ल्यू बोसॉन के अस्तित्व का पहला सबूत हासिल किया । ऐसा प्रतीत होता है कि इसमें ब्रोमीन जैसे मध्यम आकार के परमाणु का द्रव्यमान है।

2000 के दशक तक, मानक मॉडल को पूरा करने और सब कुछ एक साथ जोड़ने के लिए केवल एक टुकड़ा गायब था: हिग्स बोसोन। मैंने लगातार तीन प्रयोगों पर हिग्स बोसॉन की खोज में मदद की, और आखिर में हमने इसे 2012 में सीईआरएन में लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर में खोजा।

मानक मॉडल पूरा हो गया था, और हमारे द्वारा किए गए सभी माप भविष्यवाणियों के साथ खूबसूरती से एक साथ लटकाए गए थे।

डब्ल्यू बोसॉन को मापना

मानक मॉडल का परीक्षण करना मजेदार है। आप बहुत अधिक ऊर्जा पर कणों को एक साथ तोड़ते हैं। ये टकराव थोड़े समय के लिए भारी कणों का उत्पादन करते हैं जो फिर हल्के में वापस क्षय हो जाते हैं। भौतिक विज्ञानी फर्मिलैब और सर्न जैसे स्थानों पर विशाल और बहुत संवेदनशील डिटेक्टरों का उपयोग इन टकरावों में उत्पन्न कणों के गुणों और अंतःक्रियाओं को मापने के लिए करते हैं।

सीडीएफ में, जब एक प्रोटॉन और एक एंटीप्रोटॉन टकराते हैं , तो हर 10 मिलियन बार में से एक डब्ल्यू बोसॉन का उत्पादन होता है। एंटीप्रोटोन प्रोटॉन के एंटीमैटर संस्करण हैं, बिल्कुल समान द्रव्यमान लेकिन विपरीत चार्ज के साथ। प्रोटॉन छोटे मूलभूत कणों से बने होते हैं जिन्हें क्वार्क कहा जाता है, और एंटीप्रोटॉन एंटीक्वार्क से बने होते हैं। यह क्वार्क और एंटीक्वार्क के बीच की टक्कर है जो डब्ल्यू बोसॉन बनाती है । W बोसोन इतनी तेजी से क्षय होते हैं कि उन्हें सीधे मापना असंभव है। इसलिए भौतिक विज्ञानी डब्ल्यू बोसॉन के द्रव्यमान को मापने के लिए अपने क्षय से उत्पन्न ऊर्जा को ट्रैक करते हैं।

40 वर्षों में जब से वैज्ञानिकों ने पहली बार डब्ल्यू बोसॉन के प्रमाण का पता लगाया है, लगातार प्रयोगों ने इसके द्रव्यमान के अधिक सटीक माप प्राप्त किए हैं। लेकिन यह केवल हिग्स बोसॉन के माप के बाद से है - चूंकि यह अन्य सभी कणों को द्रव्यमान देता है - कि शोधकर्ता मानक मॉडल द्वारा अनुमानित द्रव्यमान के विरुद्ध डब्ल्यू बोसॉन के मापा द्रव्यमान की जांच कर सकते हैं । भविष्यवाणी और प्रयोग हमेशा मेल खाते थे - अब तक।

अप्रत्याशित रूप से भारी

फर्मीलैब का सीडीएफ डिटेक्टर डब्ल्यू बोसॉन को सटीक रूप से मापने में उत्कृष्ट है। 2001 से 2011 तक, त्वरक ने प्रोटॉन को खरबों बार एंटीप्रोटोन से टकराया, जिससे लाखों डब्ल्यू बोसॉन का उत्पादन हुआ और प्रत्येक टक्कर से जितना संभव हो उतना डेटा रिकॉर्ड किया गया।

फ़र्मिलैब टीम ने 2012 में डेटा के एक अंश का उपयोग करके प्रारंभिक परिणाम प्रकाशित किए। हमने पाया कि द्रव्यमान थोड़ा कम है, लेकिन भविष्यवाणी के करीब है। टीम ने तब पूरे डेटा सेट का विश्लेषण करते हुए एक दशक का समय बिताया। इस प्रक्रिया में कई आंतरिक क्रॉस-चेक और कंप्यूटर सिमुलेशन के आवश्यक वर्ष शामिल थे। विश्लेषण में किसी भी तरह के पूर्वाग्रह से बचने के लिए, जब तक पूरी गणना पूरी नहीं हो जाती, तब तक कोई भी परिणाम नहीं देख सकता था।

जब भौतिकी जगत ने आखिरकार 7 अप्रैल, 2022 को परिणाम देखा, तो हम सभी हैरान रह गए। भौतिक विज्ञानी प्राथमिक कण द्रव्यमान को लाखों इलेक्ट्रॉन वोल्ट की इकाइयों में मापते हैं - जिसे MeV तक छोटा किया जाता है। W बोसोन का द्रव्यमान 80,433 MeV - 70 MeV मानक मॉडल की भविष्यवाणी की तुलना में अधिक होना चाहिए। यह एक छोटे से अतिरिक्त की तरह लग सकता है, लेकिन माप 9 MeV के भीतर सटीक है। यह त्रुटि के अंतर के लगभग आठ गुना का विचलन है। जब मैंने और मेरे सहयोगियों ने परिणाम देखा, तो हमारी प्रतिक्रिया शानदार थी "वाह!"

मानक मॉडल के लिए इसका क्या अर्थ है

तथ्य यह है कि डब्ल्यू बोसॉन का मापा द्रव्यमान मानक मॉडल के भीतर अनुमानित द्रव्यमान से मेल नहीं खाता है, इसका मतलब तीन चीजें हो सकता है। या तो गणित गलत है, माप गलत है या मानक मॉडल में कुछ कमी है।

सबसे पहले, गणित। डब्ल्यू बोसॉन के द्रव्यमान की गणना करने के लिए, भौतिक विज्ञानी हिग्स बोसोन के द्रव्यमान का उपयोग करते हैं। सर्न प्रयोगों ने भौतिकविदों को हिग्स बोसोन द्रव्यमान को एक चौथाई प्रतिशत के भीतर मापने की अनुमति दी है। इसके अतिरिक्त, सैद्धांतिक भौतिक विज्ञानी दशकों से डब्ल्यू बोसॉन द्रव्यमान गणना पर काम कर रहे हैं । जबकि गणित परिष्कृत है, भविष्यवाणी ठोस है और बदलने की संभावना नहीं है।

अगली संभावना प्रयोग या विश्लेषण में एक दोष है। दुनिया भर के भौतिक विज्ञानी पहले से ही परिणाम की समीक्षा कर रहे हैं ताकि उसमें छेद करने की कोशिश की जा सके। इसके अतिरिक्त, सीईआरएन में भविष्य के प्रयोग अंततः एक अधिक सटीक परिणाम प्राप्त कर सकते हैं जो फर्मिलैब द्रव्यमान की पुष्टि या खंडन करेगा। लेकिन मेरी राय में, प्रयोग उतना ही अच्छा माप है जितना वर्तमान में संभव है।

यह अंतिम विकल्प छोड़ देता है: डब्ल्यू बोसॉन के द्रव्यमान में ऊपर की ओर बदलाव के कारण अस्पष्टीकृत कण या बल हैं। इस माप से पहले भी, कुछ सिद्धांतकारों ने संभावित नए कणों या बलों का प्रस्ताव रखा था, जिसके परिणामस्वरूप प्रेक्षित विचलन होगा। आने वाले महीनों और वर्षों में, मुझे उम्मीद है कि डब्ल्यू बोसॉन के गूढ़ द्रव्यमान की व्याख्या करने के लिए नए पत्रों का एक समूह होगा।

एक कण भौतिक विज्ञानी के रूप में, मुझे यह कहने में विश्वास है कि मानक मॉडल से परे और अधिक भौतिकी की खोज की जानी चाहिए। यदि यह नया परिणाम जारी रहता है, तो यह निष्कर्षों की एक श्रृंखला में नवीनतम होगा जो दर्शाता है कि मानक मॉडल और वास्तविक दुनिया के माप अक्सर मेल नहीं खाते हैं। ये रहस्य ही भौतिकविदों को पदार्थ, ऊर्जा, स्थान और समय की पूरी समझ की खोज करने के लिए नए सुराग और नए कारण देते हैं।

जॉन कॉनवे एक प्रयोगात्मक उच्च ऊर्जा कण भौतिक विज्ञानी हैं, और वर्तमान में दो बड़े प्रयोगों में लगे हुए हैं: बटाविया, इलिनोइस में फर्मिलैब टेवेट्रॉन में सीडीएफ, और स्विट्जरलैंड के जिनेवा में सीईआरएन में लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर में सीएमएस। उन्हें यूएस डिपार्टमेंट ऑफ एनर्जी और यूएस नेशनल साइंस फाउंडेशन से फंडिंग मिलती है।

यह लेख क्रिएटिव कॉमन्स लाइसेंस के तहत द कन्वर्सेशन से पुनर्प्रकाशित है। आप मूल लेख यहां पा सकते हैं ।