നവ ഭൗതിക ശാസ്ത്രത്തിന്റെ ഭാവിയിലേക്ക് ഒരു ചൂണ്ടുവിരൽ

Read Time:11 Minute

ഡോ. റിജീഷ് കേലോത്ത്
ഇന്റർ യൂണിവേഴ്സിറ്റി ഇൻസ്റ്റിറ്റ്യൂട്ട് ഫോർ ഹൈഎനർജീസ്, ബ്രസ്സൽസ്, ബെൽജിയം

അടുത്തിടെ ഫെർമിലാബിലെ ജി-2 പരീക്ഷണം പുറത്തുവിട്ട വിവരങ്ങൾ വിരൽ ചൂണ്ടുന്നത് ആധുനിക ഭൗതികശാസ്ത്രത്തിന്റെ അടുത്ത കാൽവെയ്പ്പ് എങ്ങനെ ആകണം എന്നതിലേക്കാണോ? ചില കണങ്ങളുടെ പെരുമാറ്റത്തിലെ പ്രകടമായ അപാകത ഒരു ഭൗതികശാസ്ത്ര മുന്നേറ്റത്തിന്റെ പ്രതീക്ഷകൾ ഉയർത്തിയതിന് ശേഷം ഈ ഒരു പുതിയ പരീക്ഷണ ഫലം അതിനു ആക്കം കൂട്ടുന്നു എന്ന് വേണം കരുതാൻ.

മുവോൺ ജി-2 വ്യതിയാനം

മുവോൺ (Muon) എന്ന കണിക, അതിന്റെ മാസ്സ് കുറഞ്ഞ ബന്ധുവായ ഇലക്ട്രോണിനെപ്പോലെ (Electron), ഒരു ചെറിയ കാന്തമാണ്. ഇലക്ട്രോണിനേക്കാൾ 207 മടങ്ങ് മാസ്സ് ഉള്ളവയാണ് ഈ കണികകൾ. കോസ്മിക് രശ്മികൾ ഭൂമിയുടെ അന്തരീക്ഷത്തിൽ എത്തുമ്പോൾ ഇവ ഉണ്ടാകുന്നു. കൂടാതെ ഫെർമിലാബിലേതു പോലുള്ള കണികാ ആക്സിലറേറ്ററുകൾക്ക് വലിയ അളവിൽ ഇവയെ ഉത്പാദിപ്പിക്കാനും കഴിയും. “g- ഫാക്ടർ” എന്നറിയപ്പെടുന്ന രാശി ഒരു കണത്തിന്റെ കാന്തികത എത്ര ശക്തമാണെന്നു സൂചിപ്പിക്കുന്നു. g യുടെ മൂല്യം 2 നേക്കാൾ അല്പം വലുതാണ്, അതിനാൽ പരീക്ഷണത്തിന്റെ പേര് g-2 പരീക്ഷണം എന്നാക്കി. 2 ൽ നിന്നുള്ള ഈ വ്യതിയാനം ക്വാണ്ടം ഫീൽഡ് സിദ്ധാന്തം (Quantum Field Theory) വഴി വിശദീകരിക്കപ്പെടേണ്ടതാണ്.

അമേരിക്കയിലെ ചിക്കാഗോയിലുള്ള ഫെര്‍മി നാഷണല്‍ ആക്സിലറേറ്റര്‍ ലബോറട്ടറി എന്ന ഫെര്‍മിലാബ്

മുവോണിന്റെ കാന്തികതയുടെ അളവ് കണക്കാക്കാനായി അമേരിക്കയിലെ ഫെർമിലാബിൽ (മുൻപ് ബ്രൂക്ക്‌ഹാവൻ നാഷണൽ ലബോറട്ടറിയിൽ) നടത്തിയ പരീക്ഷണം തുടരുകയാണ്. ബ്രൂക്ക്‌ഹാവൻ പരീക്ഷണം 2001 ൽ അവസാനിച്ചു, പക്ഷേ പത്ത് വർഷത്തിന് ശേഷം ഫെർമിലാബ് ആ ഉപകരണങ്ങൾ സ്വന്തമാക്കി. അതിനു ശേഷം ഇവ ഉപയോഗിച്ച് g യുടെ മൂല്യം കൂടുതൽ കൃത്യമായി അളക്കാൻ ശ്രമിക്കുകയാണ്. ഇത് നിലവിലെ സിദ്ധാന്തവുമായുള്ള പൊരുത്തക്കേട് ഇല്ലാതാക്കുകയോ അല്ലെങ്കിൽ സ്റ്റാൻഡേർഡ് മോഡലിനപ്പുറം കണ്ടെത്തേണ്ട പുതിയ ഭൗതികശാസ്ത്രത്തിലേക്ക് നയിക്കുകയോ ചെയ്തേക്കാം.

ഫെർമി ലാബിൽ ഇതുവരെയായി മൂന്ന് ഡാറ്റാ എടുക്കൽ കാലയളവുകൾ (റൺ-1, റൺ-2, റൺ-3) പൂർത്തിയായി, നിലവിൽ റൺ-4 നടക്കുന്നു. റൺ-1 ഡാറ്റയുടെ വിശകലനത്തിൽ നിന്നുള്ള ഫലങ്ങൾ 2021 ഏപ്രിൽ 7 ന് ഫിസിക്കൽ റിവ്യൂ ലെറ്റേഴ്സ് എന്ന ജേണലിൽ പ്രസിദ്ധീകരിക്കുകയും ചെയ്തു. ഈ ഫലങ്ങൾ അടിസ്ഥാന കണികകളെ സംബന്ധിച്ച സ്റ്റാൻഡേർഡ് മോഡലിന് വെല്ലുവിളിയായെന്നും അതിനനുസരിച്ച് നിലവിലുള്ള ഭൗതികശാസ്ത്രത്തിൽ തിരുത്തൽ ആവശ്യമാണെന്നും ഭൗതികശാസ്ത്രജ്ഞർ റിപ്പോർട്ട് ചെയ്തു. ഇനിയും കണ്ടെത്താനാകാത്ത കണങ്ങളുടെയോ ബലങ്ങളുടെയോ നിലനിൽപ്പാണ് ഒരു വിശദീകരണം.

സെർണിലെ മുവോൺ ജി – 2 പരീക്ഷണം – കുറച്ചു ചരിത്രം

ആദ്യത്തെ മ്യൂവോൺ g – 2 പരീക്ഷണങ്ങൾ 1959 ൽ ലിയോൺ ലെഡെർമാന്റെ മുൻകൈയിൽ യൂറോപ്പിലെ CERN ൽ ആരംഭിച്ചു. ആറ് ഭൗതികശാസ്ത്രജ്ഞരുടെ ഒരു സംഘം CERN ലെ സിൻക്രോസൈക്ലോട്രോൺ (Synchrocyclotron) ഉപയോഗിച്ച് പരീക്ഷണം നടത്തി. ഫലങ്ങൾ 1961-ൽ പ്രസിദ്ധീകരിച്ചു. ആദ്യഫലങ്ങൾ സൈദ്ധാന്തിക മൂല്യവുമായി 98 % കൃത്യതയോടെയും രണ്ടാമത്തേത് 99.6 % കൃത്യതയോടെയും ചേർന്നുപോകുന്നതായിരുന്നു. അവ ക്വാണ്ടം ഇലക്ട്രോഡൈനാമിക്സ് സിദ്ധാന്തത്തെ സാധൂകരിക്കുന്നവയായിരുന്നു.

രണ്ടാമത്തെ പരീക്ഷണം 1966-ൽ CERN- ൽ തന്നെ ആരംഭിച്ചു, ഇത്തവണ പ്രോട്ടോൺ-സിൻക്രോട്രോൺ ഉപയോഗിച്ചായിരുന്നു പരീക്ഷണങ്ങൾ. ഇത്തവണ ലഭിച്ച ഫലങ്ങൾ മുമ്പത്തേതിനേക്കാൾ 25 മടങ്ങ് കൃത്യമായിരുന്നു, എന്നാൽ പരീക്ഷണാത്മക മൂല്യങ്ങളും സൈദ്ധാന്തിക മൂല്യങ്ങളും തമ്മിൽ വ്യക്തമായ പൊരുത്തക്കേട് ഉണ്ടായിരുന്നു. അതിനാൽ ഭൗതികശാസ്ത്രജ്ഞർ അവരുടെ സൈദ്ധാന്തിക മാതൃക തിരുത്തേണ്ടതുണ്ട് എന്ന സൂചന ലഭിച്ചു. 1969 ൽ ആരംഭിച്ച മൂന്നാമത്തെ പരീക്ഷണത്തിന്റെ ഫലങ്ങൾ 1979 ൽ പ്രസിദ്ധീകരിച്ചു, 99.9993% കൃത്യതയോടെ ഇതു വ്യതിയാനത്തെ സ്ഥിരീകരിച്ചു.

മുവോൺ ജി – 2 പരീക്ഷണം അമേരിക്കയിൽ

1984 ൽ അമേരിക്ക (USA) മുവോൺ g – 2 പരീക്ഷണം ഏറ്റെടുത്തു ഗവേഷണത്തിന്റെ അടുത്ത ഘട്ടം ബ്രൂക്ക്‌ഹാവൻ നാഷണൽ ലബോറട്ടറിയിൽ ആൾട്ടർനേറ്റിംഗ് ഗ്രേഡിയന്റ് സിൻക്രോട്രോണിൽ (Alternating Gradient Synchrotron) നടത്തി. CERN പരീക്ഷണങ്ങൾക്ക് സമാനമായി, എന്നാൽ 20 മടങ്ങ് കൃത്യതയോടെയാണ് ഇവിടെ പരീക്ഷണം നടത്തിയത്. ഏകതാനമായ കാന്തികക്ഷേത്രത്തിൽ (uniform magnetic field) മ്യൂവോണുകൾ സംഭരിക്കുകയും തുടർന്ന് അവ ക്ഷയിക്കുമ്പോൾ (muon deacy) ഉണ്ടാകുന്ന ഇലക്ട്രോണുകളെ കണ്ടെത്തുന്നതിലൂടെ മ്യൂവോൺ സ്പിൻ പുരസ്സരണത്തിന്റെയും (spin precession) ഭ്രമണ ആവൃത്തിയുടെയും (rotation frequency) വ്യത്യാസം നിരീക്ഷിക്കുന്നതും പരീക്ഷണത്തിന്റെ ഭാഗമായിരുന്നു. മുമ്പത്തെ CERN പരീക്ഷണങ്ങൾ സംഭരണ വലയത്തിലേക്ക് പയോണുകളെ (pions) സന്നിവേശിപ്പിച്ചിരുന്നു, അതിൽ ഒരു ചെറിയ ഭാഗം മാത്രമേ മ്യൂവോണുകളായി വിഘടിക്കൂ. എന്നാൽ ബ്രൂക്ക്‌ഹാവൻ നാഷണൽ ലബോറട്ടറിയിൽ (BNL) CERN – ൽ ലഭ്യമായതിനേക്കാൾ വളരെ തീവ്രമായ ഒരു മുവോൺ ബീം ആണ് ഉപയോഗിച്ചത്. കൂടാതെ ഒരു സൂപ്പർ ഫെറിക്-സൂപ്പർകണ്ടക്ടിംഗ് സ്റ്റോറേജ് റിംഗ് മാഗ്നറ്റ് (superferric-superconducting storage ring magnet), ഒരു സൂപ്പർ കണ്ടക്റ്റിംഗ് ഇൻഫ്ലെക്ടർ മാഗ്നറ്റ് (superconducting inflector magnet), മ്യൂവോണുകളെ ഭ്രമണപഥങ്ങളിലേക്ക് വഴിതിരിച്ചുവിടാൻ ഫാസ്റ്റ് മുവോൺ കിക്കറുകൾ (fast muon kickers), സംഭരണ മേഖലയിലെ കാന്തികക്ഷേത്രത്തെ മാപ്പ് ചെയ്യാൻ കഴിയുന്ന ഒരു ബീം ട്യൂബ് എൻ‌എം‌ആർ ട്രോളി (beam tube NMR trolley) എന്നിവ ഉപയോഗിച്ച് ബി. എൻ. എലിലെ പരീക്ഷണം കൂടുതൽ കൃത്യത സൃഷ്ടിച്ചു. ഇവ കൂടാതെ മറ്റ് നിരവധി പരീക്ഷണാത്മക മുന്നേറ്റങ്ങളും നടത്തി. ഈ പരീക്ഷണം 1997 നും 2001 നും ഇടയിൽ പോസിറ്റീവ് (+ve), നെഗറ്റീവ് (-ve) മുവോണുകൾ ഉപയോഗിച്ച് ധാരാളം ഡാറ്റ എടുത്തു.

2015ൽ ഫെർമി ലാബിൽ കാന്തം പുതുക്കിപ്പണിയുകയും വളരെ ശക്തമായ ആകർഷണം ഉളവാക്കുന്ന കാന്തികക്ഷേത്രം നിർമ്മിക്കാൻ ശ്രദ്ധാപൂർവ്വം പരിശ്രമിക്കുകയും ചെയ്തു. ഇത് ഉയർന്ന അളവിലുള്ള കൃത്യത കൈവരിക്കാൻ സഹായിച്ചു. ഡിറ്റക്ടർ സിസ്റ്റങ്ങൾ കാലിബ്രേറ്റ് ചെയ്യുന്നതിനായുള്ള ആദ്യ ശ്രമങ്ങൾ 2017 ഏപ്രിലിൽ നടത്തി. 2017 മെയ് 31 ന് യഥാർത്ഥ പരീക്ഷണങ്ങൾ തുടങ്ങി. ഡാറ്റാ എടുക്കൽ 2020 വരെ തുടർന്നു.

2021 ഏപ്രിൽ 7 ന്, ഫെർമിലാബിലെ പരീക്ഷണ ഫലങ്ങൾ പ്രസിദ്ധീകരിച്ചു. മ്യൂവോൺ g-2 ശാസ്ത്ര സംഘത്തിന്റെ കണക്കിൽ g ഘടകത്തിന്റെ മൂല്യം 2.00233184122(82) ആണ്. ഫെർമിലാബിൽ നിന്നും ബ്രൂക്ക്‌ഹാവനിൽ നിന്നുമുള്ള ഫലങ്ങൾ ചേർത്തു വെക്കുമ്പോൾ സിദ്ധാന്തവുമായി 4.2 സിഗ്മയുടെ വ്യത്യാസം കാണിക്കുന്നു. ഒരു മൂല്യത്തിന്റെ നിർണയത്തിൽ പ്രതീക്ഷിക്കാവുന്ന പിശകിന്റെ (error), അല്ലെങ്കിൽ വ്യതിയാനത്തിന്റെ അളവാണ് സിഗ്മ എന്ന ഗ്രീക്ക് അക്ഷരം കൊണ്ടു സൂചിപ്പിക്കുന്നത്. ഈ രംഗത്ത് ഒരു കണ്ടുപിടുത്തം നടത്തി എന്ന് ഉറപ്പു പറയാൻ 5 സിഗ്മയുടെ (അല്ലെങ്കിൽ സ്റ്റാൻഡേർഡ് ഡീവിയേഷനുകളിൽ) വ്യത്യാസം വേണ്ടതാണ്. ഇത് അതിലും കുറവാണ്. പക്ഷേ, പുതിയ ഈ തെളിവുകൾ ഒരു സ്ഥിതിവിവരക്കണക്കിലെ ആകസ്മികമായുണ്ടാകാവുന്ന ഏറ്റക്കുറച്ചിലാകാനുള്ള സാധ്യത 40,000 ൽ 1 മാത്രമാണ്. അതിനാൽ ഈ പരീക്ഷണ ഫലങ്ങൾ ശാസ്ത്ര ലോകത്തു വരാനിരിക്കുന്ന വലിയ മാറ്റത്തിന്റെ സൂചനകൾ ആണ് നൽകുന്നത്. ഫെർമിലാബിലെ ജി-2 കൂട്ടായ്‌മ പുറത്തുവിടാനിരിക്കുന്ന കൂടുതൽ പരീക്ഷണ ഫലങ്ങൾക്കായി ഭൗതിക ശാസ്ത്ര ലോകം വലിയ പ്രതീക്ഷയോടെ കാത്തിരിക്കുകയാണ്.