सार:
ज्यूरिख में स्विस फेडरल इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी और पॉल शेरर इंस्टीट्यूट के वैज्ञानिकों ने हाल ही में एक महत्वपूर्ण प्रगति की है। उन्होंने म्यूऑन परमाणुओं की अत्यधिक नियंत्रणीय किरण बनाने के लिए परम शून्य के करीब सुपरफ्लुइड हीलियम का उपयोग किया। वे इस विशेष परमाणु का उपयोग सीधे यह परीक्षण करने के लिए करने की योजना बना रहे हैं कि क्या गुरुत्वाकर्षण का दूसरी पीढ़ी के प्राथमिक कणों पर सामान्य पदार्थ के समान ही प्रभाव पड़ता है।
इस शोध की कुंजी यह साबित करना नहीं है कि आइंस्टीन के सिद्धांत में समस्याएं हैं, बल्कि पहली बार गुरुत्वाकर्षण तुल्यता सिद्धांत के परीक्षण के उद्देश्य को प्राथमिक कणों की दूसरी पीढ़ी तक विस्तारित करने का प्रयास करना है। यदि प्रयोग अंततः पाता है कि पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र में मुरीन की गति सामान्य पदार्थ से अस्पष्ट रूप से भिन्न है, तो परिणाम वर्तमान मानक मॉडल से परे नई भौतिकी के लिए सुराग प्रदान कर सकते हैं, और यहां तक कि एक परिकल्पित "पांचवें मौलिक बल" को भी शामिल कर सकते हैं।
रोज़मर्रा की दुनिया में पदार्थ मुख्य रूप से प्रोटॉन, न्यूट्रॉन और इलेक्ट्रॉनों से बना है। ये कण तथाकथित पहली पीढ़ी के प्राथमिक कणों से संबंधित हैं। प्रकृति में अधिक द्रव्यमान वाले दूसरी और तीसरी पीढ़ी के कण भी हैं, जिनमें से म्यूऑन इलेक्ट्रॉनों की दूसरी पीढ़ी के "रिश्तेदार" हैं। म्यूऑन का द्रव्यमान एक इलेक्ट्रॉन के द्रव्यमान का लगभग 207 गुना है, लेकिन यह सामान्य परमाणुओं का एक स्थिर घटक नहीं है, बल्कि बेहद कम जीवनकाल वाला एक प्राथमिक कण है।
मानक मॉडल कणों की इन विभिन्न पीढ़ियों का वर्णन कर सकता है, लेकिन यह लंबे समय से चले आ रहे मौलिक प्रश्न की व्याख्या नहीं कर सकता है: प्रकृति को प्राथमिक कणों की तीन पीढ़ियों की आवश्यकता क्यों है, और पहली पीढ़ी के अलावा, काफी अधिक द्रव्यमान वाले दूसरी और तीसरी पीढ़ी के कण भी क्यों हैं।
इसलिए, वैज्ञानिकों को म्यूऑन के गुरुत्वाकर्षण व्यवहार का अध्ययन करके इन कणों के मूलभूत गुणों के बारे में अधिक जानने की उम्मीद है। एक महत्वपूर्ण प्रश्न यह है कि क्या आइंस्टीन का तुल्यता सिद्धांत न केवल सामान्य पदार्थ पर लागू होता है, बल्कि दूसरी पीढ़ी के प्राथमिक कणों से बने पदार्थ पर भी लागू होता है।
तथाकथित तुल्यता सिद्धांत एक बहुत ही परिचित घटना से संबंधित है: जब वायु प्रतिरोध जैसे बाहरी कारकों को नजरअंदाज कर दिया जाता है, तो विभिन्न द्रव्यमान और संरचना की वस्तुएं एक ही गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र में एक ही तरह से स्वतंत्र रूप से गिरेंगी। आधुनिक भौतिकी इस घटना को गुरुत्वाकर्षण और जड़त्व द्रव्यमान के बीच समानता से जोड़ती है, जो सामान्य सापेक्षता की महत्वपूर्ण नींव में से एक है।
अतीत में, मनुष्यों ने साधारण पदार्थ का उपयोग करके बड़ी संख्या में उच्च-परिशुद्धता प्रयोग किए हैं, और एंटीमैटर की पहली पीढ़ी पर गुरुत्वाकर्षण परीक्षण भी किए हैं, लेकिन प्राथमिक कणों की दूसरी पीढ़ी के लिए स्थिति पूरी तरह से अलग है। म्यूऑन के गुरुत्वाकर्षण का अध्ययन करना कठिन है क्योंकि म्यूऑन क्षय होने से पहले औसतन लगभग 2.2 माइक्रोसेकंड तक ही जीवित रहते हैं।
शोधकर्ताओं ने समस्या के कुछ भाग को हल करने के लिए "म्यूसिन" नामक एक विशेष प्रकार के परमाणु को चुना। म्यूऑन एक सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए एंटीम्यूऑन और एक नकारात्मक चार्ज वाले इलेक्ट्रॉन से बने होते हैं। संयुक्त होने पर, दोनों विद्युत रूप से तटस्थ होते हैं। हालाँकि इसकी संरचना हाइड्रोजन परमाणु के समान है, लेकिन इसका अधिकांश द्रव्यमान एंटीम्यूऑन से आता है, जो इलेक्ट्रॉनों की तुलना में बहुत भारी होते हैं।
प्रयोग किए जाने के लिए विद्युत तटस्थता एक महत्वपूर्ण शर्त है। गुरुत्वाकर्षण स्वयं बहुत कमजोर है. यदि आवेशित कण सीधे प्रयोगों में शामिल होते हैं, तो उनके चारों ओर बेहद कमजोर विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र का प्रभाव गुरुत्वाकर्षण प्रभाव से कहीं अधिक हो सकता है, जिससे वह संकेत पूरी तरह से खत्म हो जाएगा जिसे वैज्ञानिक वास्तव में मापना चाहते हैं।
हालाँकि, म्यूसिन के उत्पादन के पिछले तरीकों में अभी भी एक गंभीर समस्या है: उत्पादित म्यूसिन की गति और गति की दिशा बहुत भिन्न होती है। इससे वैज्ञानिकों के लिए इसके प्रक्षेप पथ को सटीक रूप से मापना मुश्किल हो जाता है, जबकि इसका जीवनकाल केवल 2.2 माइक्रोसेकंड है, पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण के कारण होने वाले अत्यंत छोटे विचलनों को देखना तो दूर की बात है।
इस शोध में सबसे बड़ी सफलता म्यूऑन किरण को नियंत्रित करने की समस्या को हल करना है।
अनुसंधान टीम ने पॉल शेरेर इंस्टीट्यूट के कण त्वरक से एंटीम्यूऑन को पूर्ण शून्य के करीब तापमान पर सुपरफ्लुइड हीलियम की एक परत में निकाल दिया। सुपरफ्लुइड हीलियम एक विशेष क्वांटम तरल पदार्थ है जो बेहद कम तापमान पर बहुत विशेष गुण प्रदर्शित करता है।
सुपरफ्लुइड हीलियम में प्रवेश करने के बाद, एंटीम्यूऑन तेजी से कम हो जाएंगे और मुक्त इलेक्ट्रॉनों के साथ मिलकर म्यूऑन बना सकते हैं। फिर म्यूरिन को सुपरफ्लुइड हीलियम की विशेष रासायनिक क्षमता के अधीन किया जाता है। जब यह तरल की सतह पर पहुंचता है, तो इस रासायनिक क्षमता में संग्रहीत ऊर्जा गतिज ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है, जिससे म्यूरिन तरल की सतह से लंबवत ऊपर की ओर उड़ती है।
इसलिए शोधकर्ता इस प्रक्रिया को स्पष्ट रूप से "परमाणु तोप" कहते हैं।
अतीत में उत्पन्न गन्दे म्यूऑन की तुलना में, नई विधि अधिक सुसंगत गति और अधिक समानांतर गति दिशाओं के साथ "ठंडी" म्यूसिन किरणें बना सकती है। यहां "ठंड" का मतलब केवल कम तापमान नहीं है, बल्कि इसका मतलब है कि इन परमाणुओं की गति गति वितरण अधिक केंद्रित है और अपेक्षाकृत सुसंगत गति से लगभग समानांतर दिशाओं में फैल सकता है।
यह अगले गुरुत्वाकर्षण प्रयोग के लिए महत्वपूर्ण है। चूंकि म्यूऑन केवल कुछ माइक्रोसेकंड के लिए ही मौजूद रह सकते हैं, इसलिए शोधकर्ताओं को उन्हें उत्पादन, उड़ान से लेकर माप तक की पूरी प्रक्रिया को बहुत कम समय में पूरा करने की अनुमति देनी चाहिए। सुपरफ्लुइड हीलियम न केवल म्यूऑन की अधिक नियमित किरण उत्पन्न करने में मदद करता है, बल्कि यह म्यूऑन को तरल छोड़ने से पहले कई टकरावों और बिखरने से बचने की भी अनुमति देता है।
शोधकर्ताओं के लिए अगला कदम वास्तविक गुरुत्वाकर्षण माप करने के लिए परमाणु इंटरफेरोमीटर का उपयोग करना है। परमाणुओं में तरंग-कण द्वैत होता है और इसलिए वे प्रकाश तरंगों की तरह हस्तक्षेप कर सकते हैं। वैज्ञानिक एक सटीक-डिज़ाइन किए गए हस्तक्षेप उपकरण के माध्यम से म्यूरिन परमाणुओं की एक किरण चलाएंगे और फिर देखेंगे कि क्या पृथ्वी का गुरुत्वाकर्षण परिणामी हस्तक्षेप पैटर्न में बहुत छोटे बदलाव का कारण बनता है।
यदि इस विक्षेपण को सटीक रूप से मापा जा सकता है, तो पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र में म्यूऑन की गति की गणना की जा सकती है, जिससे सीधे परीक्षण किया जा सकता है कि क्या दूसरी पीढ़ी के कण सामान्य पदार्थ के समान मुक्त गिरावट कानूनों का पालन करते हैं।
अनुसंधान टीम को उम्मीद है कि इस वर्ष नव निर्मित परमाणु किरण का उपयोग करके पहले संपूर्ण प्रायोगिक दृष्टिकोण का परीक्षण किया जाएगा। यदि सब कुछ ठीक रहा, तो अगले दो से तीन वर्षों के भीतर एक वास्तविक म्यूऑन गुरुत्वाकर्षण प्रयोग आयोजित होने की उम्मीद है।
इस तकनीक के अन्य उपयोग भी हैं। क्योंकि अब उच्च तीव्रता, अधिक नियमित म्यूऑन किरण उपलब्ध है, शोधकर्ता इसका उपयोग अधिक सटीक लेजर स्पेक्ट्रोस्कोपी प्रयोगों का संचालन करने के लिए भी कर सकते हैं। उम्मीद है कि इन मापों से वैज्ञानिकों को म्यूऑन के द्रव्यमान और अन्य मूलभूत भौतिक स्थिरांकों को निर्धारित करने में मदद मिलेगी।
जो चीज़ वास्तव में रोमांचक है वह प्रयोग के संभावित "अप्रत्याशित परिणाम" हैं।
यदि गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र में म्यूरिन सामान्य पदार्थ से भिन्न व्यवहार करता है, तो इसका मतलब होगा कि मौजूदा भौतिक सिद्धांत में कुछ अनदेखा कारक है। शोधकर्ताओं का मानना है कि विसंगति अन्य संभावित सैद्धांतिक स्पष्टीकरणों के बीच एक अभी तक अनदेखे "पांचवें मौलिक बल" की ओर भी इशारा कर सकती है।
वर्तमान में, भौतिकी ने चार बुनियादी अंतःक्रियाओं की पुष्टि की है, अर्थात् गुरुत्वाकर्षण, विद्युत चुम्बकीय अंतःक्रिया, मजबूत अंतःक्रिया और कमजोर अंतःक्रिया। भौतिकविदों ने अतीत में पांचवें मौलिक बल के संभावित अस्तित्व के लिए विभिन्न सैद्धांतिक मॉडल प्रस्तावित किए हैं, लेकिन अभी तक कोई स्वीकृत प्रत्यक्ष प्रयोगात्मक प्रमाण नहीं मिला है।
हालांकि, शोध दल ने इस प्रयोग को "पांचवें बल को खोजने" के लिए डिज़ाइन नहीं किया था। शोधकर्ताओं ने इस बात पर जोर दिया कि प्रयोग का सबसे प्रत्यक्ष और महत्वपूर्ण लक्ष्य वास्तव में अधिक मौलिक है: पहली बार यह मापना कि क्या दूसरी पीढ़ी के प्राथमिक कणों से बने म्यूऑन भी गुरुत्वाकर्षण द्रव्यमान और जड़त्वीय द्रव्यमान के बीच समतुल्य संबंध का पालन करते हैं।
इसलिए, यह शोध फिलहाल आइंस्टीन के सिद्धांत को पलटता नहीं है, न ही किसी पांचवें बल की खोज करता है। वैज्ञानिकों ने आख़िरकार एक प्रायोगिक तकनीक बनाई है जो वास्तव में इस समस्या को माप सकती है।
यदि अंतिम परिणाम सामान्य सापेक्षता की भविष्यवाणियों के अनुरूप होता है, तो यह आगे साबित होगा कि तुल्यता सिद्धांत न केवल पहली पीढ़ी के पदार्थ पर लागू होता है जिससे हम परिचित हैं, बल्कि दूसरी पीढ़ी के प्राथमिक कणों पर भी लागू होता है; यदि परिणाम विश्वसनीय तरीके से विचलित होते हैं जिन्हें ज्ञात त्रुटियों द्वारा समझाया नहीं जा सकता है, तो भौतिकविदों को मौजूदा सिद्धांत की फिर से जांच करनी होगी और नए भौतिक तंत्र की तलाश करनी होगी जो इस विसंगति को समझा सकें।
दूसरे शब्दों में, यह तथाकथित "परमाणु तोप" वास्तव में जिस चीज़ को लक्षित कर रही है वह स्वयं आइंस्टीन नहीं है, बल्कि एक मौलिक प्रश्न है जो सैकड़ों वर्षों से चला आ रहा है: क्या ब्रह्मांड में विभिन्न प्रकार के पदार्थ वास्तव में बिल्कुल उसी तरह से गुरुत्वाकर्षण महसूस करते हैं।
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