Sunday, July 15, 2012

બહુચર્ચિત હિગ્સ બોસોન અને ભૌતિકશાસ્ત્રનું સ્ટાન્ડર્ડ મોડેલ: સરળ પ્રાથમિક સમજૂતી

‘ગૉડ પાર્ટિકલ’ જેવા ગેરરસ્તે દોરનારા ઉપનામથી ઓળખાતા હિગ્સ બોસોન કણનું અસ્તિત્ત્વ પુરવાર થતાં, મોટા ભાગના લોકોના મનમાં સાદો સવાલ થયોઃ એમાં આપણે શી લેવાદેવા? 
માનવજિજ્ઞાસા અને વૈજ્ઞાનિક પદ્ધતિનું 
સહિયારું સર્જન : કાર્ટૂનસૌજન્યઃ સ્ટીવ બેન્સન
લેવાદેવાનો મતલબ આર્થિક કે બીજા ફાયદાને લગતો હોય તો જવાબ છેઃ અત્યારે તેનાથી કશો ફાયદો નહીં.  પરંતુ ‘હિગ્સ બોસોન સાથે આપણે શો સંબંધ?’ એવું માની લેવાની જરૂર નથી. આ મામલો પહેલી નજરે ભૌતિકશાસ્ત્ર/ફિઝિક્સનો લાગે, પરંતુ જીવવિજ્ઞાન સહિત બીજી ઘણી શાખાઓ સાથે તેનો સંબંધ નીકળે એવો છે.

ઉદાહરણ તરીકે આપણી એટલે કે માણસોની અથવા વધારે વિશાળ અર્થમાં કહીએ તો સજીવોની વાત કરીએ. દરેક સજીવના શરીરનો નાનામાં નાનો એકમ એટલે કોષ. એ કોષ રસાયણોના બનેલા હોય છે. રસાયણોનો દરેક અણુ (મોલિક્યુલ) બે કે વઘુ પરમાણુઓ (એટમ)ના જોડાણથી બને છે. દા.ત. હાઇડ્રોજનના બે પરમાણુ અને ઓક્સિજનના એક પરમાણુથી બનેલું પાણી.

પરમાણુના ત્રણ ઘટક હોય છેઃ પોઝિટિવ ચાર્જ/ધન ભાર ધરાવતા પ્રોટોન, નેગેટિવ ચાર્જ/ ૠણ ભાર ધરાવતા ઇલેક્ટ્રોન અને તટસ્થ એવા ન્યુટ્રોન. અણુના કેન્દ્ર ઉર્ફે નાભિ ઉર્ફે ન્યુક્લિઅસમાં પ્રોટોન-ન્યુટ્રોન ગોઠવાયેલા હોય અને તેની ફરતે ઇલેક્ટ્રોન.

તો શું એમ માની લેવું કે બ્રહ્માંડનો દરેક પદાર્થ ઇલેક્ટ્રોન, પ્રોટોન અને ન્યુટ્રોનનો બનેલો છે? એવું ત્યારે જ માની શકાય જ્યારે આ ત્રણે સબએટમિક- એટમ(પરમાણુ)થી નાના- કણોનું વઘુ વિભાજન શક્ય ન હોય. આ ચર્ચા શરૂ થાય એ સાથે જ રસાયણશાસ્ત્ર-જીવશાસ્ત્રનો વિભાગ પૂરો થાય અને ભૌતિકશાસ્ત્ર- પાર્ટિકલ ફિઝિક્સ-ની અને તેના સ્ટાન્ડર્ડ મોડેલની હદ શરૂ થાય.

૧૯મી સદીમાં વિવિધ સંશોધકોએ ઇલેક્ટ્રોનનું અસ્તિત્ત્વ ઓળખી કાઢ્‌યું, ત્યાર પછી સ્પષ્ટ થયું કે ઇલેક્ટ્રોનનું વિભાજન શક્ય નથી. તે બીજા કશાના બનેલા નથી. એટલે કે ઇલેક્ટ્રોન સૃષ્ટિના આરંભે પેદા થયેલા મૂળભૂત કણોમાંના એક છે. બાકી રહ્યા પ્રોટોન અને ન્યુટ્રોન.  તેમની ‘તોડફોડ’ કરતાં અંદરથી શું નીકળે છે તે તપાસવાનું હતું. એ માટે બીજી પદ્ધતિ હતીઃ સાંયોગિક પુરાવા કે સમીકરણોની મગજમારી આધારિત અનુમાનો. ઇલેક્ટ્રોનના કિસ્સામાં પણ, પ્રયોગશાળામાં તેની ઓળખપરેડ થઇ, તેના દોઢેક દાયકા પહેલાં સૈદ્ધાંતિક રીતે ઇલેક્ટ્રોન જેવો કોઇ કણ હોવો જોઇએ એવું અનુમાન વૈજ્ઞાનિકો કરી ચૂક્યા હતા.

મોટા ભાગના મૂળભત કણોની બાબતમાં પણ એવું જ બન્યું: પહેલાં થિયરીમાં તેમના વિશે કલ્પના થઇ, તેમના ગુણધર્મો નક્કી થયા અને ત્યાર પછી તેમનું અસ્તિત્ત્વ પુરવાર થયું. વીસમી સદીના પહેલા દાયકામાં આઇન્સ્ટાઇને પ્રકાશના મૂળભૂત કણ તરીકે ફોટોનની કલ્પના કરી અને  બીજા દાયકામાં તેનું અસ્તિત્ત્વ પુરવાર થયું.

૧૯૬૦ સુધી મૂળભૂત કણોની શોધનું કામ ધીમી ગતિએ ચાલ્યું. ત્યાં સુધી ઇલેક્ટ્રોન-ફોટોન સહિત ફક્ત ચાર મૂળભૂત કણની નક્કર હાજરી નોંધાઇ હતી. ત્યાર પછીના બે દાયકામાં કણોની મહાશક્તિશાળી ટક્કર શક્ય બનાવતાં ‘પાર્ટિકલ એક્સલરેટર’ કમ કરતાં થયાં. તેમના પ્રતાપે  મૂળભૂત કણોની ઓળખનું કામ ઝડપી બન્યું. ૧૯૮૩ સુધીમાં બીજા ૧૦ મૂળભૂત કણો ઓળખી શકાયા. ત્યાર પહેલાંથી સંશોધકોએ સૈદ્ધાંતિક રીતે તારવ્યું હતું કે આખું બ્રહ્માંડ ૧૬ મૂળભૂત કણોનું બનેલું છે.

બ્રહ્માંડના મૂળભૂત કણો, તેમની વર્તણૂંક અને તેમની વચ્ચેના સંબંધોને સમજવાના સહિયારા પ્રયાસોમાંથી ભૌતિકશાસ્ત્રના ‘સ્ટાન્ડર્ડ મોડેલ’નો ઉદ્‌ભવ થયો. તેમાં ૧૬ મૂળભૂત કણ બે ભાગમાં વહેંચાયેલા હતાઃ  ૧૨ ફર્મિઓન (અમેરિકન ભૌતિકશાસ્ત્રી અન્રિકો ફર્મીના નામ પરથી) અને અને ૪ બોસોન (ભારતીય ભૌતિકશાસ્ત્રી સત્યેન્દ્રનાથ બોઝના નામે).

બોસોન અને ફર્મિઓન વચ્ચે શો તફાવત? તેના સીધાસાદા જવાબ માટે એટલું યાદ કરી લઇએ કે બ્રહ્માંડમાં ચાર પ્રકારનાં બળ ‘આદિ’ ગણવામાં આવે છેઃ ગ્રેવિટેશનલ ફોર્સ (ગુરૂત્વાકર્ષણ બળ), ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક ફોર્સ (વિદ્યુતચુંબકીય બળ), સ્ટ્રોંગ ફોર્સ અને વીક ફોર્સ.  આ ચારમાંથી ગુરૂત્વાકર્ષણ સિવાયનાં ત્રણે બળ સળંગ ક્ષેત્રની જેમ વર્તે છે, પરંતુ તેમના મૂળભૂત ઘટક તરીકે કણ હોય છે (જેમ રણ આખું સળંગ હોવા છતાં, રેતીના કણોનું બનેલું હોય છે.) આ ત્રણે બળોના મૂળભત ઘટક કણો ‘બોસોન’ કહેવાય છે.

નામ પાડીને વાત કરીએ તો, આઇન્સ્ટાઇને ઓળખી પાડેલા ફોટોન વિદ્યુતચુંબકીય બળના વાહક છે. ગ્લુઓન કણો સ્ટ્રોંગ ફોર્સના વાહક છે, જે પરમાણુની નાભિમાં  રહેલી ‘સામગ્રી’ને વેરવિખેર થવા દેતા નથી. ડબલ્યુ અને ઝેડ એમ બે પ્રકારના બોસોન વીક ફોર્સના મૂળભૂત કણ છે. આ વીક ફોર્સને કારણે, આપમેળે વિઘટન પામવાનો રેડિયો એક્ટિવિટીનો ગુણધર્મ શક્ય બને છે.

આમ, ‘ફોર્સ કેરીઅર’ (બળના વાહક એવા) ચાર બોસોન સિવાય બાર ફર્મિઓનની વસ્તી ગણતરી આ પ્રમાણે છેઃ છ જાતના ક્વાર્ક અને છ જાતના લેપ્ટોન. (ગુણધર્મની રીતે ઇલેક્ટ્રોન લેપ્ટોનના ખાનામાં ગણાય છે.)  ક્વાર્ક અને લેપ્ટોનનાં અટપટાં નામોમાં ઉતરવાની અહીં જરૂર નથી, પણ કહેવાનું તાત્પર્ય એટલું કે મૂળભૂત ૧૨ કણ અને મૂળભૂત ત્રણ બળ વચ્ચેની ક્રિયાપ્રક્રિયામાંથી બ્રહ્માંડભરના પદાર્થોનું સર્જન થયું છે.


સ્ટાન્ડર્ડ મોડેલના સમર્થક એવા સંશોધકોએ અણુના છેક મૂળ સુધી- ક્વાર્ક અને લેપ્ટોન સુધી- પહોંચીને બ્રહ્માંડ શાનું બનેલું છે તેનો ખુલાસો તો આપ્યો, પણ તેમાં મોટો સવાલ એ ઊભો રહ્યો કે તમામ ૧૬ મૂળભૂત કણોનું દળ ક્યાંથી આવ્યું? સ્ટાન્ડર્ડ મોડેલનાં સમીકરણો પ્રમાણે  તમામ મૂળભૂત કણો પેદા થયા ત્યારે તો દળ વગરના હતા અને પ્રકાશની ઝડપે ગતિ કરતા હતા.

દળની ગૂંચ ઉકેલવા માટે પીટર હિગ્સ સહિતના છ વિજ્ઞાનીઓએ એવા એક ક્ષેત્ર (ફિલ્ડ)ની કલ્પના કરી, જેમાં રગદોળાવાને કે ખૂંપવાને કારણે કણોની ઝડપ ઓછી થઇ અને તેમણે ઓછાવત્તા પ્રમાણમાં દળ મેળવ્યું. આ સંશોધન સહિયારું હોવા છતાં, એ ક્ષેત્ર ‘હિગ્સ ફિલ્ડ’ તરીકે ઓળખાયું અને ‘ફોર્સ કેરીઅર’ એવા તેના મૂળભૂત ઘટકો હિગ્સ બોસોન પાર્ટિકલ કહેવાયા.

આમ, હિગ્સ પાર્ટિકલ એ ૧૬ મૂળભૂત કણની યાદીમાં ૧૭મો કણ નથી, પણ એ બાકીના મૂળભૂત કણોને દળ આપનાર હિગ્સ ફિલ્ડનો ઘટક કણ છે. જીનીવાના લાર્જ હેડ્રન કોલાઇડરમાં પ્રોટોનની જોરદાર ટક્કરના પરિણામે હિગ્સ બોસોન જેવા કણનો અણસાર વર્તાયો છે. સંશોધકો પૂરતા અભ્યાસ પછી તેના અસ્તિત્ત્વનું પાકું પ્રમાણપત્ર ફાડી આપે, એ સાથે જ સ્ટાન્ડર્ડ મોડેલ માટે ખૂટતી છેલ્લી પ્રેક્ટિકલ સાબિતી મળી જશે.

એવું થયા પછી પણ ભૌતિકશાસ્ત્રીઓનું કામ ઘટવાનું નથી.  બ્રહ્માંડનો દૃશ્ય પદાર્થ માંડ ૪ ટકા છે. બાકીનું ૯૬ ટકા બ્રહ્માંડ અદૃશ્ય એવી ડાર્ક એનર્જીનું બનેલું છે. આ ડાર્ક એનર્જી શાની બનેલી છે એની કશી વાત સ્ટાન્ડર્ડ મોડેલમાં આવતી નથી. સ્ટાન્ડર્ડ મોડેલનાં સમીકરણોમાંથી ગુરૂત્વાકર્ષણ પણ બાકાત છે. અરે, હિગ્સ ફિલ્ડને લગતા ખુલાસા પણ હજી મેળવવાના રહેશે. હિગ્સ ફિલ્ડ એક જ છે કે જુદાં જુદાં? બધા મૂળભૂત કણોએ એક જ હિગ્સ ફિલ્ડમાંથી જુદું જુદું દળ મેળવ્યું છે કે એક જ ફિલ્ડમાંથી? અત્યારને જેમને મૂળભૂત કણો ધારી લેવાયા છે તેમાંથી કોઇનું લાર્જ હેડ્રન કોલાઇડર જેવા શક્તિશાળી પાર્ટિકલ એક્સલરેટરની મદદથી વિભાજન શક્ય બનશે?

હિગ્સ બોસોનનો અણસાર મળ્યા પછી શ્રદ્ધાળુઓ ભલે ‘ગૉડ પાર્ટિકલ’ને લગતી અટકળોના પતંગ ઉડાડતા રહે, સંશોધકો માટે હવે નવેસરથી કમર કસીને કામે ચડવાનો સમય છે.

5 comments:

  1. Very well explained .

    ReplyDelete
  2. A nice simplified article but basic misinterpretation of fact ...like...
    આ ચારમાંથી ગુરૂત્વાકર્ષણ સિવાયનાં ત્રણે બળ સળંગ ક્ષેત્રની જેમ વર્તે છે, પરંતુ તેમના મૂળભૂત ઘટક તરીકે કણ હોય છે (જેમ રણ આખું સળંગ હોવા છતાં, રેતીના કણોનું બનેલું હોય છે.) આ ત્રણે બળોના મૂળભત ઘટક કણો ‘બોસોન’ કહેવાય છે.

    Including forth force gravity has been assumed to have gravitational field and interacts by particle called : Graviton, which is yet to be discovered.

    ReplyDelete
  3. @KR Chaudhary: thanks.
    existence of graviton is postulated on the line of other -ons but yet to be proved.
    ચારે બળો સળંગ ક્ષેત્રની જેમ જ વર્તે છે પણ ત્રણના ઘટક તરીકે કણ છે (આવું લખવાનું મનમાં હતું). સાથે એમ લખવું જોઇતું હતું કે ચોથાનો ઘટક કણ – ગ્રેવિટોન- હોવાનું ધારવામાં આવ્યું છે, પણ તેના અસ્તિત્ત્વની સાબિતી મળી નથી.
    pl.fell free to indicate other 'like's. will be happy to correct and remain more cautious

    ReplyDelete
  4. Urvish, is this piece an outcome of research and reading or have you majored in Physics? You have presented a most complex model alarmingly well. Wow! :-)

    ReplyDelete