आधुनिक भौतिकी की सबसे बड़ी अनसुलझी समस्या: गुरुत्वाकर्षण इतना कमजोर क्यों है?

प्राथमिक कण और बातचीत के हमारे मानक मॉडल इतने लंबे समय से पहले पूरे नहीं हुए जितने कि वांछित हो सकते हैं। प्रत्येक प्राथमिक कण - इसके सभी संभावित रूपों में - सभी के लिए निर्धारित प्रयोगशाला, मापा और गुणों में बनाया गया था। सबसे लंबे समय तक आयोजित ऊपरी क्वार्क, एंटीकार्क, ताऊ न्यूट्रिनो और एंटीन्यूट्रिनो और अंत में हिग्स बोसोन हमारी संभावनाओं का शिकार हुए।

और पिछले एक, हिग्स बोसोन ने भी भौतिकी की पुरानी समस्या को हल किया: आखिरकार, हम दिखा सकते हैं कि प्राथमिक कण कहां से आते हैं!



यह सब शांत है, लेकिन इस पहेली का समाधान समाप्त होने पर विज्ञान समाप्त नहीं होता है। इसके विपरीत, यह महत्वपूर्ण प्रश्न उठाता है, और उनमें से एक "आगे क्या है?"। स्टैंडर्ड मॉडल के लिए, हम कह सकते हैं कि हम अभी भी सब कुछ नहीं जानते हैं। और अधिकांश भौतिकविदों के लिए, प्रश्नों में से एक विशेष रूप से महत्वपूर्ण है - इसे वर्णित करने के लिए, आइए सबसे पहले मानक मॉडल की निम्नलिखित संपत्ति पर विचार करें।



एक तरफ, कमजोर, विद्युत चुम्बकीय और मजबूत इंटरैक्शन बहुत महत्वपूर्ण हो सकते हैं, जो उनकी ऊर्जाओं और उन दूरीओं पर निर्भर करता है जिन पर इंटरैक्शन होता है। लेकिन गुरुत्वाकर्षण के साथ ऐसा नहीं है।

अगर आप लेखिका लिसा रान्डेल की इस खूबसूरत पुस्तक को अचानक पढ़ते हैं , तो उन्होंने इस पहेली के बारे में बहुत कुछ लिखा है, जिसे मैं सैद्धांतिक भौतिकी की सबसे बड़ी अनसुलझी समस्या कहूंगा: पदानुक्रम की समस्या । हम किसी भी दो प्राथमिक कणों को ले सकते हैं - किसी भी द्रव्यमान और किसी भी इंटरैक्शन के अधीन - और पाते हैं कि गुरुत्वाकर्षण ब्रह्मांड में किसी भी अन्य बल की तुलना में कमजोर परिमाण के 40 आदेश हैं। इसका मतलब है कि गुरुत्वाकर्षण बल 10 ^{40 है}



शेष तीन बलों की तुलना में कमजोर। उदाहरण के लिए, हालांकि वे मौलिक नहीं हैं, लेकिन यदि आप दो प्रोटॉन लेते हैं और उन्हें एक मीटर दूर ले जाते हैं, तो उनके बीच विद्युत चुम्बकीय प्रतिकर्षण गुरुत्वाकर्षण आकर्षण से 10 से ⁴⁰ गुना अधिक मजबूत होगा। या, दूसरे शब्दों में, हमें किसी अन्य बलों के साथ तुलना करने के लिए गुरुत्वाकर्षण बल को 10,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 गुना तक बढ़ाने की आवश्यकता है।

इसके अलावा, कोई केवल 10 ^{20 के} एक कारक द्वारा प्रोटॉन द्रव्यमान में वृद्धि नहीं कर सकता है , ताकि गुरुत्वाकर्षण उन्हें एक साथ खींचता है, विद्युत चुम्बकीय बल पर काबू पाता है ।



इसके बजाय, प्रतिक्रियाओं के लिए जैसा कि ऊपर सचित्र होता है अनायास होने के लिए, जब प्रोटॉन अपने विद्युत चुम्बकीय प्रतिकर्षण को दूर करते हैं, तो आपको एक साथ रखने की आवश्यकता होती है 10 ⁵⁶प्रोटॉन। केवल एक साथ आने और गुरुत्वाकर्षण बल के आगे बढ़ने से, वे विद्युत चुंबकत्व को दूर कर सकते हैं। यह पता चला है कि 10 ⁵⁶ प्रोटॉन स्टार का न्यूनतम संभव द्रव्यमान बनाएंगे।

यह एक वर्णन है कि ब्रह्मांड कैसे काम करता है - लेकिन यह ऐसा क्यों है, हमें नहीं पता। गुरुत्वाकर्षण अन्य इंटरैक्शन की तुलना में इतना कमजोर क्यों है? "गुरुत्वीय आवेश" (यानी द्रव्यमान) विद्युत या रंग से इतना कमज़ोर या कमज़ोर क्यों है?

यह वह जगह है जहाँ पदानुक्रम की समस्या निहित है, और यह, कई कारणों से, भौतिकी की सबसे बड़ी अनसुलझी समस्या के रूप में कार्य करता है। उत्तर हमारे लिए अज्ञात है, लेकिन हम यह नहीं कह सकते कि हम पूरी तरह से अनभिज्ञ हैं। सैद्धांतिक रूप से , हमारे पास समाधान खोजने के बारे में कुछ अच्छे विचार हैं, और उनकी शुद्धता का प्रमाण खोजने के लिए एक उपकरण है।



अब तक, लार्ज हैड्रोन कोलाइडर - जो कि कोलाडर की उच्चतम ऊर्जा है - प्रयोगशाला में अभूतपूर्व ऊर्जा के स्तर तक पहुंच गया है, डेटा का एक गुच्छा एकत्र किया और टक्कर के बिंदुओं पर जो हो रहा है उसे फिर से बनाया। इसमें नए, हाईथ्रो ​​अनदेखी कण (जैसे हिग्स बोसोन) और मानक मॉडल (क्वार्क, लेप्टन, गेज बोसॉन) के पुराने, प्रसिद्ध कणों की उपस्थिति शामिल है। इसके अलावा, यह सक्षम है, अगर वे मौजूद हैं, किसी भी अन्य कणों का उत्पादन करने के लिए जो मानक मॉडल में शामिल नहीं हैं।

चार संभावित तरीके हैं जो मुझे पता है - अर्थात्, चार अच्छे विचार - पदानुक्रम समस्या को हल करने के लिए। अच्छी खबर यह है कि अगर प्रकृति ने उनमें से एक को चुना, तो एलएचसी इसे ढूंढ लेगा! (और यदि नहीं, तो खोज जारी रहेगी)।



हिग्स बोसोन के अलावा, कई साल पहले पाए गए, एलएचसी पर कोई नए मूलभूत कण नहीं पाए गए थे। (इसके अलावा, कोई भी नए कण के उम्मीदवार दिलचस्प नहीं हैं)। और फिर भी, पाया जाने वाला कण पूरी तरह से मानक मॉडल के वर्णन के अनुरूप था; नई भौतिकी के कोई सांख्यिकीय महत्वपूर्ण संकेत नहीं देखे गए थे। न तो मिश्रित हिग्स बोसॉन, न ही कई हिग्स कण, न ही गैर-मानक डिकेज, कुछ भी नहीं।

लेकिन अब हमने उच्चतर ऊर्जाओं से डेटा प्राप्त करना शुरू किया, जो पिछले वाले की तुलना में दोगुना है, 13-14 टीईवी तक कुछ और खोजने के लिए। और क्या, इस नस में, पदानुक्रम की समस्या के लिए संभव और उचित समाधान हैं?



1) सुपरसिमेट्री, या सुशी। सुपरसिममेट्री एक विशेष समरूपता है जो किसी भी कण के सामान्य द्रव्यमान को काफी बड़ा करने में सक्षम है ताकि गुरुत्वाकर्षण अन्य प्रभावों के साथ तुलनीय हो, उच्च सटीकता के साथ पारस्परिक रूप से विनाश हो। यह समरूपता भी मानती है कि मानक मॉडल के प्रत्येक कण में एक भागीदार सुपरपार्टिकल होता है, और पांच हिग्स कण और पांच सुपरपार्टर होते हैं। यदि इस तरह की समरूपता मौजूद है, तो इसे तोड़ दिया जाना चाहिए, या सुपर पार्टनर में सामान्य कणों के समान द्रव्यमान होगा, और वे लंबे समय तक पाए जाएंगे।

यदि SUSY पदानुक्रम समस्या को हल करने के लिए उपयुक्त पैमाने पर मौजूद है, तो LHC, 14 TeV की ऊर्जा तक पहुँचने के बाद, कम से कम एक सुपरपार्टनर, साथ ही एक दूसरे हिग्स कण को ​​खोजना होगा। अन्यथा, बहुत भारी सुपर पार्टनर का अस्तित्व अपने आप में एक और पदानुक्रम समस्या का कारण बन जाएगा, जिसका कोई अच्छा समाधान नहीं होगा। (दिलचस्प है, सभी ऊर्जाओं में SUSY कणों की अनुपस्थिति स्ट्रिंग सिद्धांत का खंडन करेगी, क्योंकि सुपरसीमेट्री स्ट्रिंग कणों के लिए एक आवश्यक शर्त है, जिसमें प्राथमिक कणों का एक मानक मॉडल होता है)।

यहां पदानुक्रम समस्या का पहला संभव समाधान है, जिसका वर्तमान में कोई सबूत नहीं है।



2) Technicvet(टेक्नीकलर)। नहीं, यह 1950 के दशक से एक रंग सिनेमा प्रणाली नहीं है, यह उन सिद्धांतों के लिए एक भौतिक शब्द है, जिनके लिए नए गेज इंटरैक्शन की आवश्यकता होती है, और या तो हिग्स कणों की कमी होती है या अस्थिर या अप्रचलित (यानी समग्र) हिग्स कण होते हैं। यदि तकनीकी रंग की पुष्टि की गई, तो उसे एक नए और दिलचस्प सेट की भी आवश्यकता होगी ।देखे गए कण। सिद्धांत रूप में, यह प्रणाली हमारी समस्या का समाधान हो सकती है, लेकिन वांछित ऊर्जा स्तर पर स्पिन-शून्य कण की हाल की खोज इस संभावित समाधान का खंडन करती प्रतीत होती है। अब, अगर यह हिग्स कण मौलिक नहीं था, लेकिन समग्र, कई मौलिक लोगों से बना है, तो यह सिद्धांत को स्वीकार्य समाधान बने रहने में मदद करेगा। 13-14 TeV की ऊर्जा पर एक भविष्य LHC परीक्षण सुनिश्चित करने के लिए पर्याप्त होगा।

दो और संभावनाएं हैं, उनमें से एक अधिक आशाजनक है, लेकिन दोनों में अतिरिक्त आयाम शामिल हैं।



3) अतिरिक्त माप ढह गई। उपरोक्त सिद्धांत लिसा रान्डेल और रमन सुंदरम द्वारा पेश किया गया यह सिद्धांत बताता है कि गुरुत्वाकर्षण वास्तव में अन्य प्रभावों की तरह मजबूत है, लेकिन तीन स्थानिक आयाम वाले ब्रह्मांड में नहीं। वह तीन स्थानिक आयामों के साथ एक और ब्रह्मांड में रहती है, चौथे स्थानिक आयाम में केवल 10 ^-31 मीटर की दूरी पर हमारे सापेक्ष स्थानांतरित (या, जैसा कि ऊपर चित्र में दिखाया गया है, पांचवें आयाम में, जब समय चालू होता है)। यह सिद्धांत दिलचस्प है क्योंकि इस तरह की एक प्रणाली स्थिर होगी और यह स्पष्टीकरण दे सकती है कि ब्रह्मांड बहुत शुरुआत में इतनी तेज़ी से क्यों विस्तार कर रहा था (और कर्ल-अप स्पेस-टाइम इस तरह सक्षम है), इसलिए, इसके मजबूत फायदे हैं।

इसमें कणों का एक अतिरिक्त सेट भी शामिल होना चाहिए; सुपरसिमेट्रिक नहीं, लेकिन कलुजा-क्लेन कण, और यह अतिरिक्त माप की उपस्थिति का परिणाम है। वैसे, अंतरिक्ष प्रयोग में , एक संकेत 600 गीगा की ऊर्जा पर, या हिग्स के 5 गुना बड़े पैमाने पर कलुजा-क्लेन कणों के अस्तित्व से प्राप्त हुआ था । और, हालांकि इस तरह की ऊर्जाएं अभी तक मौजूदा कोलेरिडरों में प्राप्त नहीं हुई हैं, नए एलएचसी को ऐसे कणों को बहुतायत में बनाने में सक्षम होना होगा, यदि वे मौजूद हैं।



लेकिन इस नए कण के अस्तित्व की गारंटी नहीं है, क्योंकि प्राप्त संकेत अपेक्षित पृष्ठभूमि की तुलना में मनाया इलेक्ट्रॉनों का सिर्फ एक अतिरिक्त है। लेकिन इसे ध्यान में रखा जाना चाहिए, क्योंकि जब LHC अधिकतम ऊर्जा में तेजी लाता है, तो 1000 GeV से कम वजन वाले लगभग सभी कण इसकी पहुंच के भीतर होंगे।

और अंत में ...



4) बड़े अतिरिक्त आयाम। अतिरिक्त माप ढह नहीं सकते हैं, लेकिन बड़े, लेकिन केवल ध्वस्त की तुलना में बड़े, जिनका आकार 10 ^-31 मीटर है। "बड़े" माप मिलीमीटर आकार के होने चाहिए, इसलिए नए कणों को एलएचसी क्षमताओं की सीमा के भीतर दिखाई देना शुरू हो जाना चाहिए। फिर से, कलुजा-क्लेन कण भी दिखाई दे सकते हैं, और यह पदानुक्रम की समस्या का एक संभावित समाधान हो सकता है।

लेकिन इस मॉडल का एक परिणाम यह होगा कि गुरुत्वाकर्षण न्यूटन से मिलीमीटर से कम की दूरी पर दृढ़ता से विचलित हो जाएगा, और यह परीक्षण करना बहुत मुश्किल है। हालांकि, आधुनिक प्रयोगकर्ता चुनौती को स्वीकार करने के लिए तैयार हैं ।



पाइजोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल (विकृति के दौरान बिजली पैदा करना) से भरे छोटे सुपरकोल्ड कोष्ठक बनाना संभव है, उनके साथ माइक्रोन के क्रम के बीच की दूरी । यह तकनीक हमें "बड़े" मापों पर 5-10 माइक्रोन की सीमा लगाने की अनुमति देती है। दूसरे शब्दों में, गुरुत्वाकर्षण एक मिलीमीटर से बहुत छोटे तराजू पर सामान्य सापेक्षता की भविष्यवाणियों के अनुसार काम करता है। इसलिए यदि बड़े अतिरिक्त आयाम हैं, तो वे एलएचसी के लिए दुर्गम ऊर्जा स्तर पर हैं, और इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि वे पदानुक्रम समस्या का समाधान नहीं करते हैं।

बेशक, पदानुक्रम समस्या के लिए एक पूरी तरह से अलग समाधान मिल सकता है।जो आधुनिक कोलिडर पर नहीं पाया जा सकता है, या इसका कोई समाधान नहीं है; यह बस इसके लिए किसी भी स्पष्टीकरण के बिना प्रकृति की संपत्ति हो सकती है। लेकिन विज्ञान कोशिश किए बिना आगे नहीं बढ़ेगा, और यही वह है जो इन विचारों और खोजों को करने की कोशिश कर रहा है: ब्रह्मांड के हमारे ज्ञान को आगे बढ़ाने के लिए। और, हमेशा की तरह, एलएचसी के दूसरे लॉन्च की शुरुआत के साथ, मैं यह देखने के लिए उत्सुक हूं कि पहले से ही खुले हिग्स बोसोन के अलावा क्या दिखाई दे सकता है!

Source: https://habr.com/ru/post/hi397421/