हिग्स फील्ड एक ऐसा महत्वपूर्ण विषय है कि यह एक संपूर्ण प्रायोगिक परिसर, लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर का भी हकदार है, जिसका अध्ययन किया गया है। यह रहस्यमय क्षेत्र औसत गैर-शून्य पर है, यह पूरे ब्रह्मांड को कवर करता है, जैसे कि एक अदृश्य तरल, और ज्ञात प्राथमिक कणों के द्रव्यमान को प्रभावित करता है। लेकिन क्या होगा अगर यह औसत शून्य था? हमारी दुनिया कैसी होगी?
यह हमारे लिए
घातक होगा - इसमें कोई परमाणु नहीं होगा - लेकिन एक निश्चित अर्थ में यह बहुत सरल और बेहतर व्यवस्थित होगा। आइए देखें कि वास्तव में कैसे।
अंजीर। 2एक तस्वीर ले लो।
ज्ञात कणों पर एक
लेख से 2 (यह इस लेख से पहले पढ़ा जाना चाहिए)। इसमें प्रकृति के प्रसिद्ध प्राथमिक कणों और मानक मॉडल से हिग्स को दर्शाया गया है। रेखाएँ बताती हैं कि कौन से कण एक-दूसरे को प्रभावित करते हैं। आप प्रकृति के चार ज्ञात इंटरैक्शन में से तीन देख सकते हैं (गुरुत्वाकर्षण स्पष्टता के लिए बाहर रखा गया है): मजबूत इंटरैक्शन (वाहक के रूप में ग्लून्स के साथ), इलेक्ट्रोमैग्नेटिज्म (वाहक - फोटॉन), कमजोर इंटरैक्शन (वाहक - डब्ल्यू और जेड)। यह देखा जा सकता है कि न्यूट्रिनो, चार्ज किए गए लेप्टान और क्वार्क एक-दूसरे से सीधे संपर्क नहीं करते हैं, वे केवल बातचीत वाहक से प्रभावित होते हैं। और अंत में, हिग्स क्षेत्र, हमारे ब्रह्मांड में गैर-शून्य, जो हरे क्षेत्र द्वारा इंगित किया गया है, सभी ज्ञात बड़े पैमाने पर प्राथमिक कणों को प्रभावित करता है, और वास्तव में, द्रव्यमान की उपस्थिति के लिए जिम्मेदार है।
अंजीर। 3इस की तुलना अंजीर से करें। 3, जो हिग्स क्षेत्र शून्य होने पर मौजूद कणों की दुनिया को दर्शाता है। ध्यान से देखें और आपको कई अंतर दिखाई देंगे!
• एक गैर-शून्य हिग्स क्षेत्र के साथ हमारी दुनिया में विद्यमान विद्युत चुम्बकीय और कमजोर इंटरैक्शन के बजाय, एक शून्य क्षेत्र वाली दुनिया में इन बलों को पुनर्वितरित और विकृत किया जाएगा। रूपांतरित बलों को हाइपरचार्ज और आइसोस्पिन कहा जाता है (ऐतिहासिक कारणों से; नाम कोई अर्थ नहीं रखते हैं)।
• इस पुनर्व्यवस्था के दौरान, बातचीत के वाहक कण भी बदलते हैं। 3 कण डब्ल्यू और एक एक्स दिखाई दिया, और जेड
0 और फोटॉन गायब हो गया। और कण डब्ल्यू और एक्स अब बड़े पैमाने पर हैं।
• इंटरेक्शन वाहक दूसरे अर्थों में आसान हो गए हैं। फोटॉन W
+ और W कणों को सीधे प्रभावित करता है; यह अंजीर में देखा जाता है। 2, जहां वे एक बैंगनी रेखा से जुड़े हुए हैं। लेकिन X के कण W के कणों पर प्रत्यक्ष को प्रभावित नहीं करते हैं। ग्लून्स खुद को पहले की तरह प्रभावित करते हैं (लाल घुमावदार रेखा; W भी खुद को प्रभावित करते हैं; X किसी भी इंटरैक्शन वाहक को प्रभावित नहीं करता है।
• पदार्थ के प्रत्येक कण (न्यूट्रिनो को छोड़कर) के लिए अब एक ही नाम के दो कण हैं। लेकिन वे भिन्न हैं - जितना
अर्नोल्ड पामर और अर्नोल्ड श्वार्ज़नेगर। भौतिक विज्ञानी उनके लिए कई नामकरण प्रणालियों के साथ आए हैं, लेकिन किसी भी नाम के साथ शीर्ष क्वार्क समान "स्वाद" का होगा, इसलिए मैंने अक्षरों को दाएं या बाएं घुमाकर उनके बीच अंतर को चिह्नित किया। हम उन्हें ऊपरी बाएँ और ऊपरी दाएँ कह सकते हैं।
• सभी बाएं कण जोड़े में आते हैं, प्रत्येक पीढ़ी के लिए एक जोड़ी, और आइसोस्पिन बातचीत के प्रभाव के अधीन हैं। इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो-ई (इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो), ऊपरी क्वार्क - निचले क्वार्क, आदि से मेल खाता है।
• दाईं ओर के कण अकेले हैं, प्रत्येक पीढ़ी के लिए एक है, और आइसोस्पिन उन्हें प्रभावित नहीं करता है।
• न्यूट्रिनो केवल बचा था।
• अंजीर में। 2 मैंने न्यूट्रिनो -1, न्यूट्रिनो -2 और न्यूट्रिनो -3 नोट किए, लेकिन अंजीर में। 3 मैं इलेक्ट्रॉन इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो, म्यूओन न्यूट्रिनो और ताऊ न्यूट्रिनो नाम का उपयोग करता हूं। इस सूक्ष्मता को अनदेखा किया जा सकता है यदि आप विषय में गहराई से रुचि नहीं रखते हैं। अन्यथा, आप न्यूट्रिनोस के प्रकार और उनके दोलनों पर एक लेख पढ़ सकते हैं।
• दर्शाए गए सभी कण द्रव्यमान रहित होंगे - हिग्स कणों को छोड़कर, जिनकी संख्या चार होगी! (और यह न्यूनतम है - मानक मॉडल में, जहां हिग्स फ़ील्ड का सबसे सरल संस्करण उपयोग किया जाता है, उनमें से चार हैं, लेकिन सिद्धांत रूप में, सब कुछ अधिक जटिल हो सकता है)।
गैर-शून्य हिग्स फ़ील्ड इस सरल और बेहतर संगठित (लेकिन जीवन के लिए अनुपयुक्त) दुनिया को कैसे प्रभावित करता है, और इसे हमारे परिसर में बदल देता है? बात यह है कि कैसे हिग्स फ़ील्ड आइसोस्पिन और हाइपरचार्ज की बातचीत के वाहक के साथ और पदार्थ के कणों के साथ बातचीत करता है। यह कैसे काम करता है, उदाहरण के लिए, ऊपरी क्वार्क के साथ, अंजीर में दिखाया गया है। 4 और 5. ऊपरी बाएं क्वार्क और ऊपरी दाहिने क्वार्क एक दूसरे के साथ मजबूत बातचीत और हिग्स कण के साथ बातचीत करते हैं - लेकिन पदार्थ के अन्य कणों के साथ नहीं। विशेष रूप से, यदि ऊपरी बाएं क्वार्क हिग्स कण से मिलता है, तो यह ऊपरी दाएं में बदल जाता है। जैसे ही हिग्स फील्ड नॉनजरो हो जाता है, यह इंटरैक्शन इस तथ्य को जन्म देगा कि बड़े पैमाने पर ऊपरी क्वार्क के दो संस्करण एक बड़े पैमाने पर ऊपरी क्वार्क में बदल जाते हैं, जिसमें एक ही समय में एक बड़ा द्रव्यमान होता है।
अंजीर। 4ऊपरी दाएं के साथ ऊपरी बाएं का कनेक्शन दो कणों के संघात के साथ भ्रमित नहीं होना चाहिए, जैसे कि एक प्रोटॉन और एक इलेक्ट्रॉन, विद्युत चुम्बकीय बल द्वारा एक साथ जुड़ा हुआ है और एक हाइड्रोजन परमाणु बना रहा है। यह एक अन्य प्रकार का संयोजन है जिसमें दो प्राथमिक कणों को एक प्राथमिक कण में मिलाया जाता है।
अंजीर। 5यह कैसे काम करता है? अंजीर में। 5 इस आरेख को दर्शाता है। जब हिग्स फ़ील्ड शून्य होता है, तो ऊपरी बाएँ कण प्रकाश की गति से, साथ ही साथ ऊपरी दाएँ भाग में जाएगा। लेकिन जब क्षेत्र शून्य के बराबर नहीं होता है, तो इसकी उपस्थिति और यह तथ्य कि यह ऊपरी बाएं और ऊपरी दाएं कणों के साथ बातचीत करता है, ऊपरी बाएं कण को ऊपरी दाएं में बदल देगा, और इसके विपरीत। ऐसा कितनी बार होगा? लगभग 100 ट्रिलियन खरब (100,000,000,000,000,000,000,000,000,000) प्रति सेकंड। परिवर्तन की यह प्रक्रिया बाएं ऊपरी और दाएं ऊपरी कणों को अलग-अलग संस्थाओं के रूप में विचार करना असंभव बनाती है, क्योंकि वे आंतरिक रूप से जुड़े हुए हैं; यदि आपके पास एक है, तो जल्द ही एक और दिखाई देगा। आपके पास एक ही समय में दोनों नहीं होंगे, क्यों ऊपरी क्वार्क एक मिश्रित कण के बजाय एक प्राथमिक रहता है। एक साथ, दो कणों के इस मिश्रण को ऊपरी क्वार्क कहा जा सकता है। और गैर-शून्य हिग्स फ़ील्ड, जिसकी उपस्थिति इसे ऊपरी बाएं और ऊपरी दाएं राज्यों के बीच कूदती है, आंतरिक ऊर्जा के साथ यह संरचना भी प्रदान करती है, जो आराम पर भी उपलब्ध है। यह ऊर्जा द्रव्यमान ऊर्जा से अप्रभेद्य है (ई = एमसी
2 ); प्रयोगों में, वह बिल्कुल उसी तरह से व्यवहार करती है। दूसरे शब्दों में, जिसे हम ऊपरी क्वार्क के द्रव्यमान की ऊर्जा कहते हैं, वास्तव में, जब हिग्स क्षेत्र एक गैर-बीजरानी क्षेत्र के अंदर होता है, तो उसे प्राप्त ऊर्जा। हिग्स फ़ील्ड को हटा दें, इसे शून्य बना दें, और ऊपरी क्वार्क दो अलग-अलग द्रव्यमान रहित कणों की स्थिति में वापस आ जाएगा, ऊपरी बाएँ और ऊपरी दाएँ।
वही घटना इलेक्ट्रॉन को द्रव्यमान देती है, लेकिन हिग्स क्षेत्र के साथ बाएं और दाएं इलेक्ट्रॉनों की बातचीत बहुत कमजोर होती है, इसलिए, नॉनजेरो हिग्स फील्ड की उपस्थिति में, इलेक्ट्रॉन में एक द्रव्यमान होता है, लेकिन अपेक्षाकृत छोटा होता है। बाएं और दाएं इलेक्ट्रॉनों के बीच स्विचिंग आवृत्ति ऊपरी बाएँ और ऊपरी दाएं क्वार्कों के बीच स्विचिंग आवृत्ति का 0.000003 है, इसलिए (थोड़ा गणित लागू होता है) हम पाते हैं कि इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान ऊपरी क्वार्क के द्रव्यमान का 0.000003 है।
अंजीर। 6अन्य सभी क्वार्क और चार्ज किए गए लेप्टान एक समान तरीके से अपने द्रव्यमान प्राप्त करते हैं। हिग्स के साथ बाएं और दाएं ऑब्जेक्ट्स की परस्पर क्रिया जितनी मजबूत होती है, गैर-शून्य हिग्स फ़ील्ड के साथ मिश्रित वस्तु का अधिक से अधिक परिणाम होता है।
बातचीत वाहकों के बारे में क्या? हिग्स ग्लून्स को प्रभावित नहीं करता है, लेकिन आइसोस्पिन और हाइपरचार्ज को मिलाता है, डब्ल्यू
3 और एक्स के मिश्रण से जेड
0 , जेड
3 को डब्ल्यू
3 और एक्स के एक अन्य मिश्रण से एक फोटोन बनाता है, और एच
1 और हिग्स कण डब्ल्यू
1 के मिश्रण से डब्ल्यू
+ और डब्ल्यू भी बनता है। , डब्ल्यू
2 , एच
+ और एच
- । इस प्रक्रिया, जिसे हिग्स तंत्र कहा जाता है, फोटॉन को बड़े पैमाने पर छोड़कर W
+ , W
- और Z
0 को बड़े पैमाने पर बनाता है।
हाँ, यही कारण है कि एक गैर-शून्य हिग्स फ़ील्ड के साथ दुनिया एक हिग्स कण (एच) के साथ बनी हुई है, जबकि एक शून्य क्षेत्र वाले दुनिया में 4 कण हैं - एच
+ , एच
- , ए
0 और एच
0 । जिस तरह ऊपरी बाएँ और ऊपरी दाएँ क्वार्कों को बड़े पैमाने पर ऊपरी एक बनाने के लिए मिलाया जाता है, तीन अतिरिक्त हिग्स कण बड़े पैमाने पर Z, W
+ और W
- का निर्माण करते हुए, बड़े पैमाने पर W और X के तीन मिश्रणों के साथ मिलाते हैं!
अंजीर। 7बातचीत, जिसका वाहक द्रव्यमान है, लंबी दूरी पर अप्रभावी है, इसलिए परमाणु बल हमें इतना कमजोर लगता है। यदि हिग्स फ़ील्ड शून्य था, आइसोस्पिन और हाइपरचार्ज समान रूप से मजबूत होंगे। इसके बजाय, हमारी दुनिया में एक द्रव्यमान फोटॉन के साथ एक वाहक के रूप में एक मजबूत विद्युत चुम्बकीय संपर्क है, और एक कमजोर परमाणु संपर्क, इतना कमजोर है कि इसका हमारे दैनिक जीवन पर लगभग कोई प्रभाव नहीं है - हालांकि, यह सौर सहित स्टार फायरबॉक्स के संचालन के लिए आवश्यक है!
दुनिया इतनी जटिल क्यों दिखती है, इसका कारण यह है कि बहुत भिन्न द्रव्यमान वाले ये सभी कण आंशिक रूप से इस तथ्य के कारण हैं कि हिग्स फील्ड और हिग्स कण पदार्थ के विभिन्न कणों के साथ बहुत अलग-अलग शक्तियों के साथ संपर्क करते हैं। इसलिए कणों के विविध द्रव्यमानों की समस्या वास्तव में हिग्स क्षेत्र / कण के साथ परस्पर क्रिया की विभिन्न शक्तियों की समस्या है। ये बातचीत इतनी अलग क्यों हैं? इस सवाल के जवाब पर कोई सहमति नहीं है (कण भौतिकी के विशेषज्ञ इसे "सुगंध समस्या" कहते हैं - क्वार्क और इलेक्ट्रॉनों की सुगंध, विभिन्न प्रकार के सुगंध और ताऊ-चार्ज किए गए लेप्टान)। हम आशा करते हैं कि LHC द्वारा हमें कुछ उत्तर दिए जा सकते हैं - लेकिन इसके लिए कोई गारंटी नहीं है।
अभी भी एक सवाल है - न्यूट्रिनो कैसे अपना द्रव्यमान प्राप्त करते हैं? इसका उत्तर है कि हम निश्चित रूप से नहीं जानते हैं। संभावनाओं में से एक - प्रकृति में दाएं हाथ के न्यूट्रिनो का अस्तित्व - प्रयोगात्मक रूप से खोजना बहुत मुश्किल है, क्योंकि यह अंजीर में दिखाए गए तीन इंटरैक्शन में से किसी से प्रभावित नहीं है। 2 और 3 - और न्यूट्रिनो द्रव्यमान के अधिग्रहण का तंत्र अन्य कणों के समान है। दूसरी संभावना यह है कि बाएं हाथ के न्यूट्रिनो एक हिग्स कण के साथ अप्रत्यक्ष बातचीत से द्रव्यमान प्राप्त करते हैं, जो अन्य कणों के साथ काम नहीं करता है। मेरे कई सहयोगियों को दूसरे विकल्प की ओर झुकाव है, क्योंकि यह स्वाभाविक रूप से समझाएगा कि न्यूट्रिनोस क्वार्क और चार्ज किए गए लेओन्स की तुलना में बहुत हल्का क्यों हैं। लेकिन यह एक लंबी कहानी है।
मैं एक महत्वपूर्ण बिंदु पर समाप्त करूंगा। बहुत से लोग, जो पहले हिग्स क्षेत्र के इतिहास से परिचित हो जाते हैं, सुझाव देते हैं कि इसे किसी तरह गुरुत्वाकर्षण के साथ जोड़ा जाना चाहिए, जो कम भारी लोगों के साथ बेहतर कणों के साथ बेहतर तरीके से संपर्क करता है। गुरुत्वाकर्षण, इलेक्ट्रॉनों की तुलना में हिग्स बलों की तरह ऊपरी क्वार्क को अधिक मजबूती से खींचता है। लेकिन अनुभवी भौतिक विज्ञानी इस तरह के विचार को अस्वीकार करते हैं। क्यों?
लब्बोलुआब यह है कि गुरुत्वाकर्षण के लिए कोई अपवाद नहीं हैं - गुरुत्वाकर्षण हमेशा अपने द्रव्यमान के अनुपात में कणों को आकर्षित करता है। (वास्तव में, यह पूरी तरह से सच नहीं है - गुरुत्वाकर्षण अपनी ऊर्जा के अनुपात में कणों को आकर्षित करता है। रोजमर्रा की जिंदगी में, किसी भी वस्तु की ऊर्जा ज्यादातर द्रव्यमान की ऊर्जा है, ई = एमसी
2 , इसलिए लोगों, पत्थरों और सितारों के लिए, ऊर्जा और द्रव्यमान लगभग है। सटीक अनुपात। लेकिन गुरुत्वाकर्षण और प्रकाश झुकता है! यदि गुरुत्वाकर्षण केवल द्रव्यमान को आकर्षित करता है, तो यह प्रकाश को द्रव्यमान फोटॉन से आकर्षित नहीं करेगा)।
इसके विपरीत, केवल हिग्स क्षेत्र से द्रव्यमान प्राप्त करने वाले कणों का उनके द्रव्यमान और हिग्स के साथ बातचीत की ताकत के बीच एक संबंध होता है। विशेष रूप से, जैसा कि अंजीर से देखा जा सकता है। 3 और 7, एक हिग्स कण एक गैर-शून्य हिग्स क्षेत्र से अपने सभी द्रव्यमान को प्राप्त नहीं करता है - और स्वयं के साथ बातचीत की ताकत सीधे इसके द्रव्यमान से संबंधित नहीं है। एक सहसंबंध है, लेकिन एक अनुपात नहीं है। यह ऐसा दुर्लभ मामला नहीं है। मेरे अन्य लेखों में, आप काल्पनिक कणों के कई उदाहरण देखेंगे जो अपने द्रव्यमान को एक अलग तरीके से प्राप्त करते हैं - उदाहरण के लिए, सुपरसिमेट्री या अतिरिक्त दृढ़ माप जैसे सिद्धांतों में दिखने वाले कण।
इसलिए गुरुत्वाकर्षण और ऊर्जा (और रोजमर्रा के जीवन में द्रव्यमान) के बीच का संबंध निरपेक्ष है, जबकि हिग्स और द्रव्यमान के बीच का संबंध केवल ज्ञात प्राथमिक कणों के लिए ही होना चाहिए, और यह अन्य प्राथमिक कणों में नहीं हो सकता है, जो कि हम अभी भी हैं पाया जा सकता है - लेकिन हिग्स कण के लिए इस तरह के कनेक्शन की पुष्टि नहीं की जाती है।
दूसरे शब्दों में, हिग्स फील्ड और गुरुत्वाकर्षण के बीच कोई भी संयोग विशुद्ध रूप से यादृच्छिक होगा!