क्या उन्होंने लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर में एक नए भौतिकी के सबूत खो दिए हैं?

स्विट्जरलैंड के जिनेवा में यूरोपियन सेंटर फॉर न्यूक्लियर रिसर्च (सर्न) में एलएचसी में एटलस कण डिटेक्टर। 27 किमी की परिधि के साथ एक भूमिगत सुरंग के अंदर निर्मित LHC, दुनिया का सबसे बड़ा और सबसे शक्तिशाली कण त्वरक और सबसे बड़ी मशीन है। लेकिन वह अपने द्वारा एकत्र किए गए डेटा का केवल एक छोटा सा अंश रिकॉर्ड करने में सक्षम है।

लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर में, प्रोटॉन एक साथ घड़ी की सूई और वामावर्त को घुमाते हैं, और एक दूसरे से टकराते हैं, एक ही समय में 99.9999991% प्रकाश की गति से आगे बढ़ते हैं। दो बिंदुओं पर, जहां योजना के अनुसार सबसे बड़ी संख्या में टकराव होना चाहिए, विशाल कण डिटेक्टरों का निर्माण किया जाता है: सीएमएस और एटलस । अरबों और अरबों टकरावों के बाद जो इस तरह की विशाल ऊर्जाओं में हुए, एलएचसी ने हमें ब्रह्मांड की मौलिक प्रकृति और पदार्थ के प्राथमिक निर्माण ब्लॉकों की समझ के लिए अपने शिकार में आगे बढ़ने की अनुमति दी।

पिछले साल सितंबर में, एलएचसी ने हिग्स बोसॉन को खोलकर अपने काम के 10 साल का जश्न मनाया, जो इसकी मुख्य उपलब्धि बन गई। लेकिन, इन सफलताओं के बावजूद, इस पर कोई नया कण, इंटरैक्शन, डेसेज़ या नई मौलिक भौतिकी की खोज नहीं की गई थी। और सबसे बुरी बात, एलएचसी से प्राप्त अधिकांश डेटा हमेशा के लिए खो जाता है।


सीएमएस सहयोग, जिसका डिटेक्टर अंतिम विधानसभा से पहले फोटो में देखा जा सकता है, ने अपने काम के सबसे व्यापक परिणाम जारी किए हैं। भौतिकी के कोई संकेत नहीं हैं जो मानक मॉडल से परे हैं।

यह उच्च ऊर्जा भौतिकी में सबसे अस्पष्ट पहेली में से एक है, कम से कम सामान्य लोगों के लिए। LHC ने केवल अधिकांश डेटा को नहीं खोया: इसने उनमें से 99.997% अविश्वसनीय रूप से खो दिया। सटीक रूप से यह: एलएचसी पर होने वाले हर दस लाख संघर्षों में से, केवल 30 रिकॉर्ड बने हुए हैं।

यह तब होता है जब आवश्यक हो, प्रकृति के नियमों के साथ-साथ आधुनिक तकनीक की क्षमताओं के कारण प्रतिबंध लगाए गए हों। लेकिन इस निर्णय के साथ भय की भावना है, इस तथ्य से तेज है कि अपेक्षित हिग्स बोसोन की तुलना में अधिक खुला नहीं था। डर यह है कि एक नई भौतिकी की खोज की प्रतीक्षा है, लेकिन हमने इसे याद किया, सभी आवश्यक डेटा को फेंक दिया।


एटलस डिटेक्टर में चार म्यूनों के लिए उम्मीदवार घटना। म्यून्स और एंटीमून्स के निशान लाल रंग में दिखाए गए हैं, और लंबे समय तक रहने वाले म्यून्स किसी भी अन्य अस्थिर कणों की तुलना में अधिक लंबा सफर तय करते हैं। यह एक दिलचस्प घटना है, लेकिन हर दर्ज की गई घटना के लिए, एक लाख छूट गए हैं।

लेकिन हमारे पास कोई विकल्प नहीं था। कुछ भी वैसे भी गिराया जाना होगा। एलएचसी प्रोटॉन को प्रकाश के करीब गति में तेजी से काम करता है, उन्हें विपरीत दिशाओं में लॉन्च करता है और उन्हें एक साथ धकेलता है। इसलिए कण त्वरक ने कई पीढ़ियों के लिए सबसे अच्छा काम किया। आइंस्टीन के अनुसार, एक कण की ऊर्जा उसके बाकी द्रव्यमान का संयोजन है (जिसे आप ई = एमसी ^{2 के} रूप में पहचान सकते हैं) और गति की ऊर्जा, जिसे गतिज के रूप में भी जाना जाता है। जितनी तेज़ी से आप आगे बढ़ते हैं - या, और अधिक सटीक रूप से, आप प्रकाश की गति के जितना करीब आते हैं - उतने ही अधिक कण ऊर्जा प्राप्त कर सकते हैं।

LHC पर, हम प्रोटॉन को 299 792 455 m / s की गति से टकराते हैं, केवल 3 m / s प्रकाश की गति तक नहीं पहुंचते हैं। ऐसी उच्च गति पर उन्हें टक्कर देना, जब वे विपरीत दिशा में चलते हैं, तो हम उन कणों के अस्तित्व को संभव बनाते हैं जो अन्य स्थितियों में प्रकट नहीं हो सकते थे।


एलएचसी का आंतरिक भाग, जहां प्रोटॉन 299 792 455 मीटर / सेकंड की गति से उड़ान भरते हैं, केवल 3 मीटर / सेकंड प्रकाश की गति तक नहीं पहुंचते हैं।

इसका कारण यह है: हमारे द्वारा बनाए गए सभी कण (और एंटीपार्टिकल्स) एक निश्चित द्रव्यमान के रूप में उनकी अंतर्निहित ऊर्जा की एक निश्चित मात्रा है। जब दो कण टकराते हैं, तो इस ऊर्जा के हिस्से को इन कणों के व्यक्तिगत घटकों में जाना चाहिए, उनकी बाकी ऊर्जा और गतिज ऊर्जा (यानी गति की ऊर्जा) में।

लेकिन अगर पर्याप्त ऊर्जा है, तो इसका हिस्सा नए कणों के उत्पादन में जा सकता है! यहाँ समीकरण E = mc ² अधिक रोचक हो जाता है: बिंदु केवल यह नहीं है कि ऊर्जा E, द्रव्यमान m के सभी कणों में अंतर्निहित है, बल्कि यह भी कि हमारे पास पर्याप्त ऊर्जा उपलब्ध होने के साथ, हम नए कण बना सकते हैं। LHC में, मानवता टकरावों में अधिक ऊर्जा तक पहुंच गई है जिसने इतिहास में किसी भी अन्य प्रयोगशाला की तुलना में नए कण उत्पन्न किए हैं।


भौतिकविदों ने एलएचसी को संभावित नई भौतिकी के लिए बड़ी संख्या में विकल्पों के संकेत के लिए देखा, अतिरिक्त माप और डार्क मैटर से सुपरसिमेट्रिक कणों और सूक्ष्म ब्लैक होल तक। लेकिन इन उच्च-ऊर्जा टक्करों में एकत्र किए गए सभी डेटा के बावजूद, इन परिदृश्यों के प्रमाण कभी नहीं मिले।

प्रत्येक कण में लगभग 7 TeV ऊर्जा होती है, अर्थात प्रत्येक प्रोटॉन गतिज ऊर्जा प्राप्त करता है, जो उसकी शेष ऊर्जा से 7000 गुना अधिक है। हालांकि, टकराव शायद ही कभी होता है, और प्रोटॉन सिर्फ छोटे नहीं होते हैं - वे ज्यादातर खाली होते हैं। टकराव की संभावना बढ़ाने के लिए, आपको एक बार में एक से अधिक प्रोटॉन लेने की आवश्यकता है; प्रोटॉन को समूहों में इंजेक्ट किया जाता है।

इसका मतलब है कि एलएचसी के अंदर पूरी शक्ति से , इसके संचालन के दौरान, प्रोटॉन के कई छोटे समूह दक्षिणावर्त और वामावर्त भागते हैं। एलएचसी सुरंगों की लंबाई लगभग 26 किमी है, और प्रोटॉन के प्रत्येक समूह को केवल 7.5 मीटर से अलग किया जाता है। ये प्रोटॉन किरणें प्रत्येक डिटेक्टर के केंद्रीय बिंदु पर बातचीत से पहले संकुचित होती हैं। और हर 25 नैनोसेकंड में एक टक्कर का मौका है।


सर्न में CMS डिटेक्टर अब तक बनाए गए दो सबसे शक्तिशाली डिटेक्टरों में से एक है। औसतन, इसके केंद्र में प्रत्येक 25 नैनोसेकंड कणों के नए समूहों से टकराते हैं।

तो क्या करें? कम संख्या में टकराव की गणना करें और उनमें से प्रत्येक को रिकॉर्ड करें? यह ऊर्जा और संभावित डेटा की भारी बर्बादी होगी।

इसके बजाय, हम प्रत्येक समूह में काफी प्रोटॉन पंप करते हैं, और हर बार जब हम किरणों का सामना करते हैं तो हमें कण टकराव की अच्छी संभावनाएं मिलती हैं। और हर बार इस तरह की टक्कर के दौरान, कण डिटेक्टर के अंदर सभी दिशाओं में फटते हैं, जटिल इलेक्ट्रॉनिक्स और सर्किट लॉन्च करते हैं, जिससे हमें पता चलता है कि डिटेक्टर की जगह कब, और किस जगह बनाई गई थी। यह एक विशाल विस्फोट की तरह है, और केवल छर्रों के सभी टुकड़ों को मापने से जो इससे बाहर उड़ गए थे, हम फैलने के समय क्या हुआ (और जो नई चीजें हमने बनाई थीं) को फिर से बना सकते हैं।


LHC पर CMS में हिग्स बोसोन घटना। इस शानदार टक्कर की ऊर्जा प्लांक ऊर्जा की तुलना में कम परिमाण के 15 ऑर्डर हैं, लेकिन यह डिटेक्टर की सटीक माप है जो हमें टक्कर के बिंदु पर क्या हुआ, इसे फिर से बनाने की अनुमति देता है।

हालाँकि, यह सभी डेटा एकत्र करने और रिकॉर्ड करने की समस्या को उठाता है। डिटेक्टर अपने आप में बड़े हैं: सीएमएस 22 मीटर, और एटलस 46 मीटर मापने। किसी भी समय, तीन अलग-अलग टक्करों से उत्पन्न कण सीएमएस के अंदर दिखाई देते हैं, और एटीएलएएस में छह से। डेटा रिकॉर्ड करने के लिए, आपको दो कदम उठाने होंगे:

1. डेटा को डिटेक्टर मेमोरी में स्थानांतरित किया जाना चाहिए, जो इलेक्ट्रॉनिक्स की गति से सीमित है। यद्यपि विद्युत सिग्नल प्रकाश की गति से लगभग यात्रा करते हैं, हम केवल पाँच सौ टकरावों में से एक को "याद" कर सकते हैं।
2. मेमोरी में डेटा डिस्क (या किसी अन्य स्थायी माध्यम) को लिखा जाना चाहिए, और यह मेमोरी को डेटा लिखने की तुलना में बहुत धीरे-धीरे होता है। आपको तय करना है कि क्या स्टोर करना है और क्या फेंकना है।

सिस्टम में डेटा कैसे खिलाया जाता है इसका योजनाबद्ध आरेख, सेंसर लॉन्च किए जाते हैं, उनका विश्लेषण किया जाता है और स्थायी भंडारण के लिए भेजा जाता है। यह एटलस के लिए एक चार्ट है, यह सीएमएस के लिए एक चार्ट से थोड़ा अलग है।

हम बुद्धिमानी से घटनाओं की पसंद की गारंटी के लिए कुछ तरकीबों का उपयोग करते हैं। हम तुरंत कई टकराव कारकों की जांच करते हैं, यह निर्धारित करने के लिए कि क्या उन्हें और अधिक ध्यान से अध्ययन करना है या नहीं: इसे ही हम ट्रिगर कहते हैं। ट्रिगर को पास करते हुए, हम अगले स्तर पर पहुंचते हैं। (इसके अलावा, ट्रिगर को पास नहीं करने वाले डेटा का एक छोटा अंश बरकरार रखा जाता है, बस अगर कोई दिलचस्प संकेत दिखाई देता है, जिसके लिए हमने ट्रिगर बनाने के लिए नहीं सोचा था)। फिर फिल्टर और ट्रिगर्स की एक दूसरी परत लागू की जाती है; यदि घटना इसे बचाने के लिए काफी दिलचस्प हो जाती है, तो यह माध्यम पर इसकी रिकॉर्डिंग की गारंटी के लिए बफर में प्रवेश करती है। हम गारंटी दे सकते हैं कि किसी भी घटना को "रोचक" के रूप में चिह्नित किया गया है, साथ ही साथ यह एक छोटा सा हिस्सा है, जिसमें निर्बाध घटनाओं का एक छोटा सा हिस्सा है।

चूंकि ये दोनों कदम आवश्यक हैं, इसलिए हम आगे के विश्लेषण के लिए केवल 0.003% बचा सकते हैं।


एटलस डिटेक्टर में हिग्स बोसोन के लिए उम्मीदवार। बाद में चलने वाले स्पष्ट संकेतों और पटरियों के साथ भी, अन्य कणों की एक बड़ी संख्या की उपस्थिति दिखाई देती है; सभी क्योंकि प्रोटॉन मिश्रित कण हैं। यह केवल इसलिए काम करता है क्योंकि हिग्स इन कणों के मूलभूत घटकों में द्रव्यमान जोड़ता है।

हमें कैसे पता चलेगा कि हम जानकारी के आवश्यक टुकड़ों को संग्रहीत करते हैं? जिन लोगों में नए कणों का निर्माण सबसे अधिक दर्ज किया गया है, नई बातचीत का महत्व दिखाई देता है, क्या नया भौतिकी मनाया जाता है?

जब प्रोटॉन टकराते हैं, तो अधिकांश भाग के लिए सामान्य कण पैदा होते हैं - इस अर्थ में कि वे लगभग पूरी तरह से ऊपरी और निचले क्वार्क से मिलकर होते हैं। (ये प्रोटॉन, न्यूट्रॉन और पियोन जैसे कण होते हैं)। अधिकांश टक्कर गुजरने में होती हैं, अर्थात अधिकांश कण गति की दिशा में या उसके विपरीत डिटेक्टर से टकराते हैं।


पृथ्वी पर कण त्वरक, जैसे कि सर्न में LHC, उन्हें प्रकाश की गति के बहुत करीब गति प्रदान कर सकता है, लेकिन फिर भी उस तक नहीं पहुंच पाता है। प्रोटॉन संयुक्त कण होते हैं, और प्रकाश के करीब गति पर गति के कारण, टक्करों के बाद, नए कणों का प्रकीर्णन गति की दिशा में या उसके विपरीत जाता है, और पार नहीं होता है।

इसलिए, पहले चरण में, हम अपेक्षाकृत उच्च ऊर्जा के कणों के निशान का अध्ययन करने की कोशिश करते हैं, अनुप्रस्थ दिशा में जा रहे हैं, और किरणों की दिशा में आगे या पीछे नहीं। हम डिटेक्टर मेमोरी घटनाओं को लिखने की कोशिश कर रहे हैं, जो हमारी राय में, उच्चतम संभव द्रव्यमान एम के नए कणों को बनाने के लिए मुक्त ऊर्जा ई की सबसे बड़ी राशि है। फिर हम जल्दी से स्कैन करते हैं कि डिटेक्टर की मेमोरी में क्या है यह पता लगाने के लिए कि क्या यह डिस्क पर इस डेटा को लिखने के लायक है। यदि हां, तो यह डेटा स्थायी भंडारण के लिए कतारबद्ध हो सकता है।

नतीजतन, हर सेकंड आप 1000 घटनाओं को बचा सकते हैं। यह संख्या बड़ी लग सकती है - लेकिन ध्यान रखें कि हर सेकंड में लगभग 40,000,000 प्रोटॉन समूह टकराते हैं।


उच्च ऊर्जा टकराव के कारण कण के निशान - 2014 LHC छवि। ऐसी 30,000 टक्करों में से केवल एक ही रिकॉर्ड की गई है और बचाई गई है, इसका अधिकांश हिस्सा खो गया है।

हमें लगता है कि हम चालाकी से काम करते हैं, जिसे हम चुनते हैं और ठीक वही रखते हैं, लेकिन हम 100% निश्चित नहीं हो सकते। 2010 में, सर्न डेटा सेंटर एक अविश्वसनीय मील के पत्थर पर पहुंच गया: 10 पेटाबाइट डेटा। 2013 के अंत तक, इसमें पहले से ही 100 पेटाबाइट्स थे; 2017 में, 200 पेटाबाइट्स का एक निशान पारित किया गया था। लेकिन इन सभी संस्करणों के लिए, हम जानते हैं कि वे बाहर फेंक चुके हैं - या रिकॉर्ड नहीं कर सकते हैं - 30,000 गुना अधिक डेटा। हम सैकड़ों पेटाबाइट इकट्ठा कर सकते थे, लेकिन हमने मना कर दिया और हमेशा के लिए डेटा के कई ज़ेटाबाइट खो दिए : यह एक साल में पूरे इंटरनेट की तुलना में अधिक डेटा है।


LHC पर एकत्र किए गए डेटा की कुल राशि पिछले 10 वर्षों में इंटरनेट के माध्यम से भेजे और प्राप्त किए गए डेटा की कुल राशि से आगे है। लेकिन इस डेटा का केवल 0.003% रिकॉर्ड किया गया और बचाया गया; बाकी सब कुछ हमेशा के लिए खो जाता है।

यह अत्यधिक संभावना है कि एलएचसी ने नए कण बनाए, नए इंटरैक्शन के सबूत देखे, नए भौतिकी के सभी संकेतों को देखा और दर्ज किया। इसके अलावा, खोजों के विषय के बारे में हमारे ज्ञान की कमी के कारण, यह संभव है कि हम यह सब बाहर फेंक देते हैं और ऐसा करना जारी रखते हैं। स्टैंडर्ड मॉडल के बाहर भौतिकी की कमी के बारे में बुरा सपना बन रहा है। हालांकि, वास्तविक दुःस्वप्न बहुत ही संभावित संभावना में निहित है कि एक नया भौतिकी मौजूद है, हमने इसकी खोजों के लिए आदर्श मशीन का निर्माण किया, इसे पाया, लेकिन हमारे फैसलों और मान्यताओं के कारण इसे महसूस नहीं किया। वास्तविक दुःस्वप्न यह है कि हम मानक मॉडल में विश्वास करके खुद को धोखा दे रहे हैं, केवल इसलिए कि हमने उपलब्ध आंकड़ों का 0.003% अध्ययन किया है। हमें लगता है कि हमने एक स्मार्ट निर्णय लिया है, जो चयनित डेटा को सहेज रहा है, लेकिन हम इसके बारे में सुनिश्चित नहीं हो सकते हैं। यह संभव है कि हम स्वयं, इसे जाने बिना, इस दुःस्वप्न को भोगे।

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