ऐसे अध्ययन जो कुछ भौतिक संपत्तियों का अत्यधिक परिशुद्धता से परीक्षण करते हैं, इन दिनों लोकप्रियता हासिल कर रहे हैं क्योंकि कई भौतिक विज्ञानी जानबूझकर छोटी-छोटी खामियों की तलाश कर रहे हैं – इतनी छोटी कि उन्हें करीब से देखे बिना देखा नहीं जा सकता – एक ऐसे सिद्धांत में जो शक्तिशाली होने के साथ-साथ अधूरा भी है। यह है कण भौतिकी का मानक मॉडल.

यह विभिन्न कणों के अस्तित्व की भविष्यवाणी करता है; उनमें से आखिरी बार 2012 में हिग्स बोसोन पाया गया था। लेकिन जबकि मॉडल अधूरा है, इसके कणों का चिड़ियाघर और उनकी संयुक्त बातचीत प्रकृति और ब्रह्मांड के बारे में कई चीजें 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। यह नहीं पता कि हिग्स बोसोन इतना भारी क्यों है या गुरुत्वाकर्षण अन्य मूलभूत बलों की तुलना में इतना कमजोर क्यों है।

कहां गया एंटीमैटर?

मॉडल यह भी भविष्यवाणी करता है कि जब ब्रह्मांड का निर्माण हुआ था, तो इसमें पदार्थ और एंटीमैटर समान मात्रा में होने चाहिए थे – जो स्पष्ट रूप से मामला नहीं है।

दोनों पदार्थों की समान मात्रा ने एक दूसरे को नष्ट कर दिया होगा, प्रकाश के रूप में ऊर्जा जारी की होगी, इसलिए ब्रह्मांड को प्रकाश से भरा होना चाहिए था। फिर भी आज, ब्रह्मांड में बड़ी मात्रा में पदार्थ 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’ का मार्ग प्रशस्त कर सकता है।

एक नए अध्ययन में में प्रकाशित विज्ञानकोलोराडो विश्वविद्यालय, बोल्डर के शोधकर्ताओं ने बताया है कि इलेक्ट्रॉनों के साथ एक प्रयोग में उन्हें कुछ प्रकार की ऐसी ‘नई भौतिकी’ के प्रमाण नहीं मिले। इस प्रयोग में आज तक की उच्चतम परिशुद्धता के साथ साक्ष्य की तलाश की गई।

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 करेगा, लेकिन नए अध्ययन के परिणाम असहमत हैं, तो भौतिक विज्ञानी अब इस संभावना को रोकने के लिए अपने सिद्धांत को संशोधित करना जानते हैं। एक अलग प्रयोग के पिछले ऐसे परिणाम ने भौतिकविदों को बताया कि वे जिस सबूत की तलाश कर रहे थे वह नहीं मिलेगा लार्ज हैड्रान कोलाइडर यूरोप में।

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 यदि पूरा हो जाता है, तो ब्रह्मांड को अधिक पदार्थ और एंटीमैटर का उत्पादन करने की अनुमति मिल जाएगी। 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 को 3 से विभाजित किया जाता है। जब एक बैरियन मानक मॉडल के नियमों के अनुसार दूसरे कण के साथ इंटरैक्ट करता है, तो बैरियन नंबर संरक्षित होता है, यानी इंटरैक्शन की शुरुआत में कुल बैरियन संख्या अंत में संख्या के बराबर होनी चाहिए।

लेकिन सखारोव की पहली शर्त यह है कि पदार्थ को एंटीमैटर पर हावी होने के लिए बातचीत में इस नियम को तोड़ना होगा। अर्थात्, इस अंतःक्रिया से एंटी-बेरिऑन (अर्थात एंटी-क्वार्क से बना बेरिऑन) की तुलना में अधिक बेरिऑन का उत्पादन होना चाहिए।

सी-समरूपता ‘आवेश संयुग्मन समरूपता’ का संक्षिप्त रूप है। आवेश संयुग्मन एक ऐसी प्रक्रिया है जो एक कण को ​​उसके प्रति-कण से बदल देती है, और परिणामस्वरूप उसके आवेश को (सकारात्मक से ऋणात्मक या ऋणात्मक से धनात्मक) कर देती है। यदि सी-समरूपता का उल्लंघन होता है, तो भी होगा अधिक प्रक्रियाएँ जो बैरियन पैदा करते हैं उनकी तुलना में जो एंटी-बैरियन पैदा करते हैं।

सी-समरूपता की तरह, पी-समरूपता समता समरूपता को संदर्भित करती है: यदि कणों के बीच एक विशेष बातचीत वैध है, तो इसकी दर्पण-छवि – यानी आप दर्पण में बातचीत कैसे देख सकते हैं – समान रूप से मान्य होनी चाहिए। सीपी-समरूपता सी-समरूपता और पी-समरूपता का एक साथ उल्लंघन करने वाली बातचीत को संदर्भित करती है।

सखारोव की अंतिम शर्त यह है कि जिस दर पर बेरियन और एंटी-बेरियन का उत्पादन होता है वह ब्रह्मांड के विस्तार से आगे निकल जाना चाहिए। यह एक साधारण सिद्धांत से उत्पन्न होता है. एक काल्पनिक रासायनिक प्रतिक्रिया पर विचार करें: ए + बी → सी + डी. जैसे-जैसे प्रतिक्रिया आगे बढ़ती है, की मात्रा ए + बी की मात्रा कम हो जाएगी सी + डी जमा हो जायेगा. इससे प्रतिक्रिया स्वयं उलट सकती है: सी + डी → ए + बी. इस तरह के उलटफेर को रोकने के लिए, सबसे आसान काम कुछ ऐसी स्थिति की पहचान करना है जो अनुमति देती है ए + बी → सी + डी लेकिन नहीं सी + डी → ए + बीजैसे, उदाहरण के लिए, उच्च तापमान बनाए रखना, और फिर उस स्थिति को लागू करना।

इसी प्रकार, तीसरी सखारोव शर्त यह निर्धारित करती है कि ब्रह्मांड का विस्तार उस दर से अधिक तेजी से होना चाहिए जिस दर पर बेरिऑन का उत्पादन होता है, ताकि एक प्रतिपूरक रिवर्स 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 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 अधिक सीपी-समरूपता उल्लंघन की अनुमति देता है।

इलेक्ट्रॉन द्विध्रुव आघूर्ण

सीपी-समरूपता एक डायडिक समरूपता है – इसके दो भाग हैं – जो वास्तव में सीपीटी नामक एक बड़ी त्रियादिक समरूपता का हिस्सा है। ‘टी’ समय के लिए है, और टी-समरूपता का मतलब है कि एक दिशा में एक कण की बातचीत जिसे आगे के समय में पसंद किया जाता है, उसे विपरीत दिशा में पसंद किया जाना चाहिए जब समय पीछे की ओर बहता है। 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 जाँच की कि क्या इलेक्ट्रॉन का विद्युत आवेश उसके केंद्र में स्थित है या एक तरफ से थोड़ा हटकर है। यदि यह वास्तव में बंद है, तो इलेक्ट्रॉन में एक द्विध्रुव होगा: कण के एक तरफ अधिक नकारात्मक चार्ज और दूसरी तरफ अधिक सकारात्मक चार्ज। और ऐसा द्विध्रुव टी-समरूपता को अस्वीकार कर देगा।

द्विध्रुव में एक शक्ति होती 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] फ्लिप होगा और [electric dipole moment] कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, सांता बारबरा के स्वतंत्र भौतिक विज्ञानी मिंग्यु फैन और एंड्रयू जयिच ने नए पेपर के साथ एक टिप्पणी में लिखा, समय-उलट से पहले की तुलना में मौलिक रूप से अलग नहीं दिखेंगे। विज्ञान.

मानक मॉडल इलेक्ट्रॉन को 10 तक का विद्युत द्विध्रुव आघूर्ण रखने की अनुमति देता है^-38इ सेमी (इ इलेक्ट्रॉन का आवेश है)। इससे अधिक कुछ भी और मॉडल टूट जाएगा, जो कुछ ‘नए भौतिकी’ के प्रभाव का संकेत देगा।

इलेक्ट्रॉन विद्युत द्विध्रुव क्षण (ईईडीएम) को देखने के लिए प्रयोग ने एक इलेक्ट्रॉन की दो अवस्थाओं के बीच ऊर्जा अंतर को मापा – एक जब इसका स्पिन बाहरी विद्युत क्षेत्र की दिशा में होता है और दूसरा जब इसका स्पिन क्षेत्र के विपरीत 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।

परिष्कृत 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 अत्यंत शक्तिशाली क्षेत्रों का उपयोग कर सकते हैं, लेकिन सबसे शक्तिशाली क्षेत्र अभी भी प्रकृति में मौजूद हैं। नए अध्ययन में, भौतिकविदों ने हेफ़नियम फ्लोराइड (एचएफएफ) के अणुओं में वैलेंस इलेक्ट्रॉनों का अध्ययन किया, जो लगभग 23 बिलियन वी/सेमी के विद्युत क्षेत्र को प्रभावित करता है – जो शोधकर्ता प्रयोगशाला में बना सकते हैं उससे 10,000 गुना अधिक मजबूत, भले ही कम दूरी पर।

अध्ययन को समझाने में आसान है, इसके लिए परिष्कृत उपकरणों और तकनीकों के एक सेट की आवश्यकता होती है – कुछ माप करने के लिए, अन्य परिणामी डेटा में शोर और अनिश्चितता को कम करने के लिए, इसमें शामिल मूल्यों की लघुता को देखते हुए। अनुसंधान दल ने हजारों एचएफएफ अणुओं को आयनित किया और उन्हें एक जाल में रखा, लेज़रों का उपयोग करके उन्हें विशेष ऊर्जा अवस्था में लाया। जाल के कुछ हिस्सों में शोर को कम करने के लिए 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 इलेक्ट्रॉनों को ‘बनाया’ और फिर रैमसे स्पेक्ट्रोस्कोपी नामक तकनीक का उपयोग करके उनके बीच ऊर्जा अंतर को मापा।

एक के अनुसार 2013 पेपर कोलोराडो विश्वविद्यालय में डॉक्टरेट के छात्र हुआनकियान लोह 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 दो राज्यों के बीच अधिक बार फ़्लिप करता है) तो ईईडीएम माप अधिक संवेदनशील होता है। इसलिए अधिक संवेदनशील माप करने के लिए, टीम को इन सभी विशेषताओं के लिए अनुकूलन करना पड़ा।

अंततः, टीम ने अनुमान लगाया कि इलेक्ट्रॉन का ईईडीएम 4.1 × 10 से कम होगा^-30इ 90% आत्मविश्वास पर सेमी. टीम के पेपर में कहा गया है कि “परिणाम शून्य के अनुरूप है और पिछले सर्वोत्तम ऊपरी सीमा में ~2.4 के कारक से सुधार हुआ है।” माप अभी भी मानक मॉडल द्वारा अनुमत सीमा से आठ ऑर्डर ऊपर है, फिर भी यह उपयोगी है क्योंकि यह पिछले माप से करीब कदम बढ़ाता है।

चूँकि परिणाम एक निश्चित ऊर्जा स्तर तक “शून्य के अनुरूप” होता है, यह उस स्तर तक काल्पनिक ‘नए भौतिकी’ कणों के अस्तित्व को भी रोकता है। डॉ. फैन और जेइच ने इस निहितार्थ की सराहना की जब उन्होंने टीम की उपलब्धि की तुलना “एक टेबल पर फिट होने वाले उपकरण” से की, “सर्न में लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर, जिसे बनाने में लगभग 4.75 बिलियन डॉलर और सालाना 1 बिलियन डॉलर चलाने की लागत आती है,” और कम ऊर्जा स्तर तक प्रकृति की जांच करता है, भले ही अलग तरीके से।

टिप्पणी में कहा गया है, “कई प्रणालियों में ईईडीएम माप से प्राप्त ज्ञान भविष्य के उच्च-ऊर्जा कण कोलाइडर की आवश्यकताओं को निर्देशित करने में मदद करेगा जो प्रारंभिक ब्रह्मांड में पदार्थ-एंटीमैटर विषमता के लिए जिम्मेदार समय-समरूपता-उल्लंघन करने वाले कणों का निर्माण कर सकता है।”