प्राकृतिक दुनिया के बारे में सबसे आश्चर्यजनक तथ्यों में से एक एंटीपार्टिकल्स का अस्तित्व है। 1928 में अंग्रेजी भौतिक विज्ञानी पॉल एएम डिराक द्वारा सिद्धांतित और कॉस्मिक किरणों में देखा गया 1932 में अमेरिकी भौतिक विज्ञानी कार्ल एंडरसन द्वारा, एक एंटीपार्टिकल एक कण प्रकार का ‘साझेदार’ होता है जिसका द्रव्यमान समान होता है लेकिन विपरीत चार्ज होता है। उदाहरण के लिए, प्रतिइलेक्ट्रॉन इलेक्ट्रॉन का प्रतिकण है; इसका द्रव्यमान समान है और यह धनात्मक रूप से आवेशित है।
क्वांटम यांत्रिकी और विशेष सापेक्षता के संदर्भ में दुनिया का वर्णन करने के लिए एंटीपार्टिकल्स एक अपरिहार्य परिणाम हैं।
प्रतिकण समय में पीछे की ओर यात्रा करने वाला एक कण है। यह अतिसरलीकरण नहीं है. यदि यह अजीब लगता है, तो इसका कारण यह है।
हे प्रतिपदार्थ, तुम कहाँ हो?
लेकिन सारा एंटीमैटर एंटीपार्टिकल्स से बना कहां है? यह निश्चित रूप से दुर्लभ है, अन्यथा हमने इसे बहुत पहले ही खोज लिया होता। फिर भी, प्रतिकण स्पष्ट रूप से असंख्य हैं। हमारा अपना शरीर पोटेशियम-40 के क्षय से हर 20 सेकंड में एक एंटीइलेक्ट्रॉन बनाता है। हम पर बरसने वाली ब्रह्मांडीय किरणें एंटीप्रोटोन, एंटीइलेक्ट्रॉन और यहां तक कि एंटीन्यूक्लियर भी प्रदान करती हैं। प्रत्येक प्रोटॉन और न्यूट्रॉन – नाभिक के घटक जो सभी पदार्थ बनाते हैं जिन्हें हम छू सकते हैं – हैं एंटीक्वार्क्स से भरा हुआ.
लेकिन जब हम संपूर्ण ब्रह्मांड पर नजर डालते हैं तो एंटीमैटर की कमी स्पष्ट हो जाती है। सभी आकाशगंगाएँ पदार्थ से बनी हैं, एंटीमैटर से नहीं। यहां तक कि शिशु ब्रह्मांड में भी, परिणामों के बारे में हमारी भविष्यवाणियों के लिए प्रोटॉन और एंटीप्रोटॉन की आबादी के बीच थोड़ी असमानता रही होगी। प्रारंभिक ब्रह्मांड में नाभिक का संश्लेषण और की विशेषताएं ब्रह्मांडीय माइक्रोवेव पृष्ठभूमि (बिग बैंग से बचा हुआ विकिरण) धारण करने के लिए।
अर्थात्, प्रत्येक 1.7 बिलियन प्रोटॉन-एंटीप्रोटॉन जोड़े के लिए, एक अतिरिक्त अयुग्मित प्रोटॉन होना चाहिए था।
कुछ हुआ
संभवतः इस समरूपता को विकृत करने वाली किसी घटना से पहले ब्रह्मांड की शुरुआत समान मात्रा में पदार्थ और एंटीमैटर के साथ हुई थी। यह एक अच्छी बात है: अन्यथा पदार्थ और एंटीमैटर परस्पर नष्ट हो जाते और ब्रह्मांड में विकिरण के कोहरे के अलावा कुछ नहीं भर जाता – तारे, ग्रह या हमें बनाने के लिए कोई कच्चा माल नहीं।
लेकिन किस बात ने समरूपता बिगाड़ दी? अलग ढंग से कहें तो, हमारे चारों ओर कुछ नहीं (उस कोहरे के अलावा) के बजाय कुछ क्यों है? कोई भी निश्चित रूप से नहीं जानता। हम जो जानते हैं वह यह है कि इसे समझाने का प्रयास करने वाले किसी भी सिद्धांत को तीन शर्तों को पूरा करना होगा, जिन्हें कहा जाता है सखारोव की स्थितियाँ. दुनिया को समझाने के लिए सबसे अच्छा वर्तमान सिद्धांत, कण भौतिकी का मानक मॉडल, उन सभी को पूरा करने में बुरी तरह विफल रहता है।
के लेखकों तक कम से कम यही विद्या थी अगस्त 2024 प्रीप्रिंट पेपर एक दिलचस्प चेतावनी बताई।
उन्होंने दिखाया कि शर्तों में से एक को अकेले मानक मॉडल से संतुष्ट किया जा सकता है, बशर्ते कुछ नई कण प्रजातियां पदार्थ बनाने की प्रक्रिया में मदद करें।
एक परेशान करने वाली खोज
दुनिया को आईने में देखो. क्या यह वैसा ही दिखता है? सेब अभी भी गिरेंगे और चंद्रमा ग्रहों का चक्कर लगाएंगे क्योंकि गुरुत्वाकर्षण अपरिवर्तित रहेगा। प्रोटॉन और न्यूट्रॉन आपस में चिपककर नाभिक बनाएंगे क्योंकि मजबूत परमाणु बल संरक्षित रहेगा। लेकिन परमाणु नाभिक रेडियोधर्मी विखंडन से नहीं गुजरेगा क्योंकि ऐसा होता है कमजोर बल के माध्यम से. और कमज़ोर शक्ति, पिशाच की तरह, दर्पण-संसार में लुप्त हो जाती है।
1957 में इस तथ्य की खोज बेहद परेशान करने वाली थी क्योंकि इसने प्रकृति में समरूपता की पोषित धारणाओं पर प्रहार किया था। एक समता परिवर्तन (पी को दर्शाया गया) – बाएं और दाएं अदला-बदली का कार्य – कमजोर बल को खत्म करने के लिए प्रकट हुआ। लेकिन जल्द ही भौतिकविदों ने पाया कि यदि उन्होंने दर्पण-दुनिया में एक कण को उसके एंटीपार्टिकल से बदल दिया, तो कमजोर बल फिर से प्रकट हो गया। इस क्रिया को आवेश संयुग्मन (C) कहते हैं। ऐसा लगता है कि ब्रह्मांड ने पी और सी को अलग-अलग संरक्षित नहीं किया, बल्कि तब किया जब वे एक साथ घटित हुए। इसे सीपी समरूपता कहा जाता है।
लेकिन 1964 में, अमेरिकी भौतिकविदों जेम्स क्रोनिन और वैल फिच ने पाया कि सीपी समरूपता का भी उल्लंघन किया गया है। और इसका हर समय उल्लंघन नहीं किया गया – जिसने इसे और अधिक कष्टप्रद बना दिया। उन्होंने पाया कि प्रकृति में कमजोर बल से जुड़ी एक प्रक्रिया का हर हजार बार एक बार उल्लंघन किया गया था। नौ साल बाद, जापान में मकोतो कोबायाशी और तोशीहिदे मस्कावा ने पाया कि यदि प्रत्येक क्वार्क प्रजाति के कम से कम तीन प्रकार होते हैं – द्रव्यमान को छोड़कर सभी गुण समान होते हैं – सीपी समरूपता का उल्लंघन अपरिहार्य है। और सभी फ़र्मिअन कण तीन प्रकारों, अर्थात पीढ़ियों में आते हैं। उदाहरण के लिए, अप क्वार्क के दो अन्य प्रकार हैं: चार्म और टॉप क्वार्क।
जैसा कि हम जानते हैं, मौलिक कणों की (वर्तमान) फसल पदार्थ बनाती है और वे विभिन्न तरीकों से परस्पर क्रिया कर सकते हैं। डब्ल्यू और जेड बोसॉन कमजोर बल की मध्यस्थता करते हैं। | फोटो साभार: सार्वजनिक डोमेन
(लगभग उसी समय, भौतिकविदों ने यह भी पाया कि विखंडन और संलयन में शामिल मजबूत परमाणु बल को सीपी समरूपता का दृढ़ता से उल्लंघन करना चाहिए, लेकिन ऐसा नहीं होता है। इसे मजबूत सीपी पहेली कहा जाता है।)
सखारोव की स्थितियाँ
अब, जैसे ही सीपी समरूपता उल्लंघन की पुष्टि हुई, सोवियत भौतिक विज्ञानी आंद्रेई सखारोव को एहसास हुआ कि प्रारंभिक ब्रह्मांड में पदार्थ-एंटीमैटर विषमता बनाने के लिए यह वास्तव में एक आवश्यक शर्त है। दुर्भाग्य से, मात्रा सीपी समरूपता के उल्लंघन के लिए मानक मॉडल की अनुमति (1,000 दर में ~ 1) विषमता की भयावहता को समझाने के लिए अपर्याप्त साबित हुई।
यहीं पर अगस्त पेपर के लेखकों ने एक खामी की ओर इशारा किया है। हम कुछ समय से जानते हैं कि मेसॉन – क्वार्क-एंटीक्वार्क जोड़े से बने कण – से जुड़ी प्रक्रियाएं सीपी समरूपता का उल्लंघन करती हैं, इसी तरह क्रोनिन और फिच ने अपनी खोज की। अब, यदि कोई मेसन मानक मॉडल में शामिल नहीं होने वाले कणों में क्षय हो सकता है, तो पदार्थ-एंटीमैटर विषमता को दो मात्राओं के उत्पाद द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है: मानक सीपी उल्लंघन की मात्रा और गैर-मानक कणों में क्षय का अंश। यह अंश बहुत बड़ा नहीं हो सकता: अन्यथा हम कण कोलाइडर में गैर-मानक कणों का पता लगा लेते।
अध्ययन का अभिप्राय, एक ऐसे तंत्र को प्रस्तुत करना है जो यह सुनिश्चित करता है कि यह अंश प्रारंभिक ब्रह्मांड में बड़ा था लेकिन आज कम संख्या में विकसित हुआ है। ऐसा तब किया जा सकता है जब नए कणों का द्रव्यमान समय के साथ बदलता रहता है, जिसे क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत में व्यवस्थित करना संभव है।
कड़ी मेहनत से हासिल की गई प्रगति
इस प्रकार इस तंत्र ने तीन सखारोव स्थितियों में से एक को इन स्थितियों के प्रकाश में आने के पांच दशक बाद मानक मॉडल की पहुंच के भीतर ला दिया है।
अन्य दो स्थितियाँ हैं: (i) कणों द्वारा वहन किए जाने वाले एक प्रकार के आवेश में बड़ा उल्लंघन, जिसे बेरिऑन संख्या कहा जाता है। उदाहरण के लिए, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की बेरिऑन संख्या 1 होती है और उनके एंटीपार्टिकल्स का मान -1 होता है। (ii) अंतःक्रिया थर्मल संतुलन से बाहर होनी चाहिए, जिसका अर्थ है कि आगे और पीछे की दिशाओं में कण प्रक्रियाएं समान दर से नहीं होती हैं।
जबकि मानक मॉडल इन शर्तों को पर्याप्त रूप से पूरा नहीं करता है, यहां चर्चा किया गया कार्य यह समझने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम के रूप में कार्य करता है कि आज हमारे ब्रह्मांड में पदार्थ एंटीमैटर पर भारी क्यों हावी है।
निर्मल राज भारतीय विज्ञान संस्थान, बेंगलुरु में उच्च ऊर्जा भौतिकी केंद्र में सैद्धांतिक भौतिकी के सहायक प्रोफेसर हैं।
प्रकाशित – 10 दिसंबर, 2024 05:30 पूर्वाह्न IST
