Read Time:31 Minute
Vaisakhan Thampi
ഡോ.വൈശാഖൻ തമ്പി
പ്രപഞ്ചത്തിൽ നാം കണ്ടെത്തിയ അടിസ്ഥാന ദ്രവ്യ കണികകളും ബല കണികകളും ബന്ധിപ്പിക്കുന്ന സിദ്ധാന്തമാണ് സ്റ്റാന്റേർഡ് മോഡൽ. ഇലക്ട്രോൺ, പ്രോട്ടോൺ, ന്യൂട്രോൺ എന്നിവ മൗലിക കണങ്ങളാണെന്ന ആദ്യകാല ധാരണയിൽ നിന്നും പ്രോട്ടരോണിനും ന്യൂട്രോണിനും ക്വാർക്കുകൾ എന്ന ഉപകരണങ്ങളുണ്ടെന്ന ധാരണയിലേക്ക് ഭൗതികശാസ്ത്രത്തിന്റെ വളർച്ച സ്റ്റാന്റേര്ഡ് മോഡൽ ഉപയോഗിച്ചു വിശദീകരിക്കുന്നു. ദ്രവ്യത്തിന്റെ അടിസ്ഥാനം – പ്രത്യേക വിഷയത്തിൽ പ്രസിദ്ധീകരിച്ച ശാസ്ത്രഗതി 2022 മാർച്ച് ലക്കത്തിൽ നിന്ന്

നമുക്ക്‌ ചുറ്റുമുള്ള പലതരം വസ്‌തുക്കള്‍ എന്തൊക്കെക്കൊണ്ട്‌ ഉണ്ടാക്കപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു എന്ന്‌ ആലോചിച്ചിട്ടുണ്ടോ? ഓരോ വസ്‌തുവിനും ഓരോ ഉത്തരമായിരിക്കാം. ഉദാഹരണത്തിന്‌ ഒരു മേശ തടികൊണ്ടാണെങ്കില്‍, കരണ്ടി ഉരുക്ക്‌ കൊണ്ടാകാം ഉണ്ടാക്കപ്പെട്ടിരിക്കുന്നത്‌. കറന്റ്‌ കമ്പി ചെമ്പ്‌ കൊണ്ടാണെങ്കില്‍, പേനയുടെ കൂട്‌ പ്ലാസ്റ്റിക്‌ കൊണ്ടാകാം. എന്നാല്‍, ഏത്‌ വസ്‌തുവിലും ആദ്യത്തെ ഉത്തരത്തോട്‌ ഇതേ ചോദ്യം ആവര്‍ത്തിക്കാമല്ലോ. മേശ തടികൊണ്ടാണെങ്കില്‍, തടി എന്തുകൊണ്ട്‌ നിര്‍മിക്കപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു എന്നും, തടി സെല്ലുലോസും ലിഗ്‌നിനും കൊണ്ടാണെങ്കില്‍, അവയൊക്കെ എന്തുകൊണ്ട്‌ നിര്‍മിക്കപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു എന്നും പിന്നേയും ചോദിക്കാമല്ലോ. കൗതുകകരമായ കാര്യം, ഈ ചോദ്യപരമ്പര ഏത്‌ വസ്‌തുവില്‍നിന്ന്‌ തുടങ്ങിയാലും അധികം വൈകാതെ ഒരു ഘട്ടത്തില്‍ ഒരേ ഉത്തരത്തില്‍ എത്തിച്ചേരും എന്നുള്ളതാണ്‌. തടിക്കസേരയോ ലോഹക്കരണ്ടിയോ ശരീരകലകളോ പ്ലാസ്റ്റിക്‌ കവറോ എന്നിങ്ങനെ പ്രത്യക്ഷത്തില്‍ തീര്‍ത്തും വ്യത്യസ്‌തമായ പദാര്‍ത്ഥങ്ങളില്‍നിന്ന്‌ തുടങ്ങിയാലും, അടിസ്ഥാന ചേരുവയെ സംബന്ധിച്ച ചോദ്യപരമ്പര തന്മാത്രകള്‍ വഴി ആറ്റങ്ങളിലെത്തും.
വ്യത്യസ്‌തതരം ആറ്റങ്ങള്‍ ഉണ്ടെങ്കിലും, അവയെല്ലാംതന്നെ പൊതുവായി മൂന്നേ മൂന്ന്‌ തരം കണങ്ങളാല്‍ നിര്‍മിക്കപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു എന്ന്‌ സ്‌കൂള്‍ ക്ലാസ്സുകളില്‍ പഠിക്കുന്നുണ്ട്‌; പ്രോട്ടോണ്‍, ന്യൂട്രോണ്‍, ഇലക്ട്രോണ്‍. ഇവിടെ പ്രസക്തമായ മറ്റൊരു ചോദ്യം, ഈ ചോദ്യപരമ്പര എവിടെ അവസാനിക്കും എന്നുള്ളതാണ്‌. അതായത്‌, എന്തുകൊണ്ട്‌ നിര്‍മിക്കപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു എന്ന ചോദ്യം അപ്രസക്തമാകുന്ന ഒരു അവസാന ഉത്തരം ഉണ്ടോ എന്ന്‌.

അടിസ്ഥാനചേരുവകള്‍ തേടിയുള്ള അന്വേഷണം അവസാനിക്കുന്നത്‌, അഥവാ അവസാനിക്കുന്നതായി ഇന്ന്‌ നമ്മള്‍ മനസ്സിലാക്കുന്നത്‌, ഒരു കൂട്ടം കണികകളിലാണ്‌. അവയെ മൗലികകണങ്ങള്‍ (Elementary particles) എന്ന്‌ വിളിക്കുന്നു. അവയാലാണ്‌ ദൃശ്യപ്രപഞ്ചത്തില്‍ സകലതും നിര്‍മിക്കപ്പെട്ടിരിക്കുന്നത്‌, മറ്റൊന്നിനാലും അവ നിര്‍മിക്കപ്പെട്ടിരിക്കുന്നില്ല. അതുകൊണ്ട്‌ തന്നെ അവയ്‌ക്ക്‌ ആന്തരഘടനയുമില്ല. എല്ലാം ആറ്റങ്ങളാല്‍ നിര്‍മിക്കപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു എന്ന്‌ പറയുമ്പോഴും, അവ മൗലികകണങ്ങളല്ല. കാരണം അവയ്‌ക്ക്‌, അവയെ നിര്‍മിക്കാന്‍ ഉപയോഗപ്പെട്ടിരിക്കുന്ന ഉപകണങ്ങള്‍ ഉണ്ട്‌. അവയില്‍ തന്നെ പ്രോട്ടോണുകളും ന്യൂട്രോണുകളും മറ്റ്‌ ഉപകണങ്ങളാല്‍ നിര്‍മിക്കപ്പെട്ടിരിക്കുന്നവയാണ്‌ എന്നതിനാല്‍ അവയും മൗലികകണങ്ങളല്ല. മൗലികകണങ്ങള്‍ ദ്രവ്യത്തിന്റെ അടിസ്ഥാനമായ ഇഷ്ടികകള്‍ മാത്രമല്ല, ഇഷ്ടികകളെ പരസ്‌പരം യോജിപ്പിച്ച്‌ നിര്‍ത്തുന്ന പരസ്‌പരബലങ്ങളുടെ കൂടി അടിസ്ഥാനമാണ്‌.

പ്രപഞ്ചത്തെ കെട്ടിപ്പടുത്തിരിക്കുന്ന ഇഷ്ടികകളേയും സിമന്റ്‌ ചാന്തിനേയും ഒരുപോലെ കുറേ കണികകളുടെ അടിസ്ഥാനത്തില്‍ വിശദീകരിക്കാന്‍ ശ്രമിക്കുന്ന, ഭൗതികശാസ്‌ത്രത്തിലെ ഒരു സിദ്ധാന്തമാണ്‌ സ്റ്റാന്റേര്‍ഡ്‌ മോഡല്‍.
Image: Daniel Dominguez/CERN

സ്റ്റാന്റേര്‍ഡ്‌ മോഡല്‍ എന്നത്‌ സാങ്കേതികഭാഷയില്‍ ഒരു ക്വാണ്ടം ഫീല്‍ഡ്‌ സിദ്ധാന്തമാണ്‌. ഭൗതികശാസ്‌ത്രത്തിന്റെ ചരിത്രത്തില്‍, 20-ാം നൂറ്റാണ്ടിന്റെ തുടക്കത്തില്‍ സംഭവിച്ച ഒരു വിപ്ലവമായിരുന്നു ക്വാണ്ടം ഭൗതികത്തിന്റെ വികാസം. അതുവരെയുള്ള ഭൗതികസിദ്ധാന്തങ്ങള്‍ സൂക്ഷ്‌മകണങ്ങളുടെ തലത്തിലെ പ്രതിഭാസങ്ങളെ വിശദീകരിക്കുന്നതില്‍ പരാജയപ്പെട്ടപ്പോഴാണ്‌, തീര്‍ത്തും വ്യത്യസ്‌തമായ ഒരു സങ്കല്‍പ്പം (concept) എന്ന രീതിയില്‍ ക്വാണ്ടം ഭൗതികം ഉരുത്തിരിഞ്ഞത്‌. സൂക്ഷ്‌മതലത്തില്‍ ഊര്‍ജം, ചാര്‍ജ്‌ തുടങ്ങിയ ഭൗതിക പരിമാണങ്ങള്‍ക്ക്‌ അനുസ്യൂതമായ (continuous) അസ്‌തിത്വമല്ല, മറിച്ച്‌ അവ പാക്കറ്റു (discrete) കളായിട്ടാണ്‌ കാണപ്പെടുന്നത്‌ എന്നതായിരുന്നു അതിന്റെ അടിസ്ഥാനം (ഈ പാക്കറ്റുകളെയാണ്‌ ക്വാണ്ടം (quantum) എന്ന്‌ വിളിക്കുന്നത്‌). അതിന്‌ ഏതാണ്ട്‌ സമാന്തരമായാണ്‌ ആപേക്ഷികതാ സിദ്ധാന്തം ഉണ്ടാകുന്നത്‌. പ്രകാശവേഗത്തോട്‌ അടുക്കുമ്പോള്‍, അതുവരെയുള്ള ഭൗതികനിയമങ്ങള്‍ പരാജയപ്പെടുന്നു എന്നും പരിഷ്‌കരണമാവശ്യമുണ്ടെന്ന തിരിച്ചറിവുമാണ്‌ അതിനെ നയിച്ചത്‌. എന്നാല്‍, സൂക്ഷ്‌മതലത്തില്‍ വേണ്ട പരിഷ്‌കരണവും, ഉയര്‍ന്ന വേഗതയില്‍ വേണ്ട പരിഷ്‌കരണവും വ്യത്യസ്‌തമായിരുന്നു. പ്രപഞ്ചം ഒന്നുതന്നെയാണ്‌ എന്നതിനാല്‍ ഈ പരിഷ്‌കരണങ്ങളിലും ഒരു ഏകീകരണം ഉണ്ടാവേണ്ടതുണ്ടല്ലോ. ആ ദിശയിലുള്ള ശ്രമങ്ങളാണ്‌ ക്വാണ്ടം ഫീല്‍ഡ്‌ സിദ്ധാന്തത്തിലേയ്‌ക്ക്‌ നയിച്ചത്‌.

അതിസാങ്കേതികത അടങ്ങിയ കാര്യമാകയാല്‍, ഈ ലേഖനത്തില്‍ സൈദ്ധാന്തികമായ വികാസം നമ്മള്‍ ചര്‍ച്ചയ്‌ക്കെടുക്കുന്നില്ല. പകരം സ്റ്റാന്റേര്‍ഡ്‌ മോഡലില്‍ എന്തൊക്കെയാണുള്ളത്‌ എന്നൊരു പൊതുവായ പരിചയപ്പെടുത്തല്‍ മാത്രമാണ്‌ ഉദ്ദേശിക്കുന്നത്‌.
നേരത്തേ പറഞ്ഞതുപോലെ, സ്റ്റാന്റേര്‍ഡ്‌ മോഡല്‍ ദ്രവ്യപ്രപഞ്ചത്തെ ഒരു കൂട്ടം മൗലികകണങ്ങളിലേയ്‌ക്ക്‌ ചുരുക്കുന്നു. ഏറ്റവും പൊതുവായ ദൃഷ്ടിയില്‍ ഈ കണികകളെ രണ്ട്‌ വലിയ വിഭാഗങ്ങളായി തിരിക്കാം; ഫെര്‍മിയോണുകളും ബോസോണുകളും. എന്‍റിക്കോ ഫെര്‍മി, സത്യേന്ദ്രനാഥ്‌ ബോസ്‌ എന്നീ ശാസ്‌ത്രജ്ഞരുടെ പേരുകളില്‍ നിന്നാണ്‌ ഈ കണികകള്‍ക്ക്‌ പേരു കൊടുത്തിരിക്കുന്നത്‌. ഫെര്‍മിയോണുകള്‍ ഇഷ്ടികകളെപ്പോലെ ദ്രവ്യകണികകളാണ്‌. എന്നാല്‍, ബോസോണുകള്‍ ദ്രവ്യകണികകള്‍ തമ്മിലുള്ള പരസ്‌പര പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനത്തെ നിയന്ത്രിക്കുന്ന ബലകണങ്ങളാണ്‌. ഫെര്‍മിയോണുകളുടെയും ബോസോണുകളുടെയും പെരുമാറ്റരീതിയില്‍ അടിസ്ഥാനപരമായി വ്യത്യാസമുണ്ട്‌. അവയുടെ സ്‌പിന്‍ എന്ന ഗുണവിശേഷത്തിലുള്ള വ്യത്യാസമാണ്‌ അത്‌ തീരുമാനിക്കുന്നത്‌.

ഫെര്‍മിയോണുകള്‍

ഫെര്‍മിയോണുകളില്‍ തന്നെ രണ്ട്‌ തരക്കാരുണ്ട്‌; സ്വതന്ത്രമായി നിലനില്‍പ്പുള്ളവയും അല്ലാത്തവയും. ആദ്യത്തെ കൂട്ടരെ പൊതുവായി ലെപ്‌റ്റോണുകള്‍ എന്ന്‌ വിളിക്കും. ഇലക്ട്രോണ്‍ അടിസ്ഥാനപരമായി ഒരു ലെപ്‌റ്റോണ്‍ ആണ്‌. ഇതിന്‌ പുറമേ മുവോണ്‍, ടോ ലെപ്‌റ്റോണ്‍ എന്നിങ്ങനെ രണ്ട്‌ ലെപ്‌റ്റോണുകളുണ്ട്‌. പിന്നെ ഈ മൂന്ന്‌ കണങ്ങളുമായി ബന്ധപ്പെട്ട്‌, വളരെ ഭാരം കുറഞ്ഞ ഒരു കൂട്ടം കണികകള്‍ കൂടിയുണ്ട്‌; അവയാണ്‌ ന്യൂട്രിനോകള്‍. അവയും മൂന്ന്‌ തരത്തിലുണ്ട്‌; ഇലക്ട്രോണ്‍ ന്യൂട്രിനോ, മുവോണ്‍ ന്യൂട്രിനോ, ടോ ന്യൂട്രിനോ എന്നിങ്ങനെ. അങ്ങനെ മൊത്തം ആറ്‌ ലെപ്‌റ്റോണുകള്‍.

സ്വതന്ത്രമായി നിലനില്‍പ്പില്ലാതെ, എപ്പോഴും കൂടിച്ചേര്‍ന്ന്‌ മിശ്രകണങ്ങളായി (composite particles) കാണപ്പെടുന്ന ഫെര്‍മിയോണുകളെ ക്വാര്‍ക്കുകള്‍ എന്ന്‌ വിളിക്കുന്നു. ഒന്നിലധികം ക്വാര്‍ക്കുകള്‍ ചേര്‍ന്ന്‌ ഉണ്ടാകുന്ന മിശ്രകണങ്ങള്‍ക്ക്‌ പൊതുവേ പറയുന്ന പേരാണ്‌ ഹാഡ്രോണുകള്‍. ക്വാര്‍ക്കുകളും ആറ്‌ തരത്തിലുണ്ട്‌; അപ്പ്‌ (Up), ഡൗണ്‍ (Down), ചാം (Charm), സ്‌ട്രേഞ്ച്‌ (Strange), ടോപ്പ്‌ (Top), ബോട്ടം (Bottom) എന്നിങ്ങനെ. ഈ പേരുകളെ ഒന്നും അവയുടെ ഇംഗ്ലീഷ്‌ ഡിക്ഷ്‌ണറിയില്‍ ഉള്ള അര്‍ഥവുമായി ബന്ധിപ്പിക്കരുത്‌ എന്ന്‌ എടുത്തുപറയട്ടെ. Up ക്വാര്‍ക്ക്‌ ഏതെങ്കിലും രീതിയില്‍ മുകളിലോ Strange ക്വാര്‍ക്ക്‌ ഏതെങ്കിലും രീതിയില്‍ വിചിത്രമോ ഒന്നുമല്ല. അച്ചു, കിച്ചു, സച്ചു, മിച്ചു, സഞ്ചു, കുഞ്ചു എന്ന്‌ വിളിക്കുന്നതില്‍നിന്ന്‌ ഒട്ടും വ്യത്യസ്‌തമല്ല ഈ അപ്പ്‌, ഡൗണ്‍ തുടങ്ങിയ വിളികള്‍. പ്രോട്ടോണ്‍ എന്ന കണം രണ്ട്‌ അപ്പ്‌ ക്വാര്‍ക്കും ഒരു ഡൗണ്‍ ക്വാര്‍ക്കും ചേര്‍ന്നുണ്ടാകുന്ന ഒരു ഹാഡ്രോണ്‍ ആണ്‌. രണ്ടു ഡൗണ്‍ ക്വാര്‍ക്കും ഒരു അപ്പ്‌ ക്വാര്‍ക്കും ചേര്‍ന്ന ന്യൂട്രോണും ഒരു ഹാഡ്രോണ്‍ ആണ്‌.

ബോസോണുകള്‍

ഫെര്‍മിയോണുകള്‍ക്ക്‌ ഒരുമിച്ചുചേര്‍ന്ന്‌ ഈ സ്ഥൂലപ്രപഞ്ചം ആയി മാറണമെങ്കില്‍, അവ തമ്മില്‍ പ്രതിപ്രവര്‍ത്തിക്കേണ്ടതുണ്ടല്ലോ. അത്തരം പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനങ്ങള്‍ക്കിടയില്‍ `ബ്രോക്കര്‍’ ആയി പ്രവര്‍ത്തിക്കുക എന്നതാണ്‌ ബോസോണുകള്‍ ചെയ്യുന്നത്‌. ബോസോണുകളെ പരസ്‌പരം കൈമാറ്റം ചെയ്‌തുകൊണ്ടാണ്‌ കണികകള്‍ പരസ്‌പരം ബലം (ആകര്‍ഷണമോ വികര്‍ഷണമോ) ചെലുത്തുന്നത്‌ എന്ന്‌ പറഞ്ഞാല്‍ അമിത ലളിതവല്‍ക്കരണം ആയിപ്പോകുമെങ്കിലും സാങ്കേതികത ഇല്ലാതെ അത്‌ മനസ്സിലാക്കാന്‍ അതേ ഒരു മാര്‍ഗമുള്ളൂ. ബലകണികകളായി പ്രവര്‍ത്തിക്കുമ്പോള്‍ ബോസോണുകളെ ഗേജ്‌ ബോസോണുകള്‍ (gauge bosons) എന്ന്‌ വിളിക്കും.
ദ്രവ്യകണികകള്‍ പ്രതിപ്രവര്‍ത്തിക്കുന്നത്‌ നാല്‌ അടിസ്ഥാന ബലങ്ങളിലൂടെയാണ്‌; വൈദ്യുതകാന്തിക ബലം (Electromagnetic interaction), തീവ്രഅണുകേന്ദ്രബലം (തീവ്രബലം – Strong interaction), ദുര്‍ബല അണുകേന്ദ്രബലം (ദുര്‍ബലബലം – Weak interaction), പിന്നെ ഗുരുത്വബലം (Gravitational interaction).

ഇലക്ട്രോമാഗ്‌നെറ്റിക്‌ ബലം നമുക്ക്‌ വളരെ സുപരിചിതമായ ഒരു ബലമാണ്‌. രണ്ടു ഇലക്ട്രോണ്‍ തമ്മിലോ രണ്ടു പ്രോട്ടോണ്‍ തമ്മിലോ വികര്‍ഷിക്കുന്നത്‌ അല്ലെങ്കില്‍ ഒരു പ്രോട്ടോണും ഒരു ഇലക്ട്രോണും തമ്മില്‍ ആകര്‍ഷിക്കുന്നതൊക്കെ ഈ ബലം വഴിയാണ്‌. എന്നാല്‍, ഇത്‌ സാധ്യമാകുന്നത്‌ ഫോട്ടോണുകള്‍ എന്ന കണങ്ങളെ പരസ്‌പരം കൈമാറിയാണ്‌. ഉദാഹരണത്തിന്‌, ഒരു ആറ്റത്തില്‍ മധ്യത്തിലെ ന്യൂക്ലിയസ്സിനും ചുറ്റുമുള്ള ഇലക്ട്രോണുകള്‍ക്കും ഇടയില്‍ നിരന്തരമായി ഫോട്ടോണ്‍ കൈമാറ്റം നടന്നുകൊണ്ടേയിരിക്കുന്നു. പരസ്‌പരം വികര്‍ഷിക്കുന്ന രണ്ടു പോസിറ്റീവ്‌ ചാര്‍ജുകള്‍ക്കിടയിലും ഈ ഫോട്ടോണ്‍ കൈമാറ്റം നടക്കുന്നു. അതിനാല്‍, ഫോട്ടോണുകളെ വൈദ്യുതകാന്തിക ബലത്തിന്റെ ഗേജ്‌ ബോസോണ്‍ എന്ന്‌ വിളിക്കുന്നു.

ഫോട്ടോണ്‍ കൈമാറ്റം വഴിയുള്ള വികര്‍ഷണം ഉണ്ടായിട്ട്‌ പോലും ഒരു ആറ്റത്തിന്റെ ന്യൂക്ലിയസ്സില്‍ പ്രോട്ടോണുകളെ തമ്മില്‍ അകന്നുപോകാതെ പിടിച്ച്‌ നിര്‍ത്തുന്ന ആകര്‍ഷണ ബലമാണ്‌ തീവ്ര അണുകേന്ദ്ര ബലം. പ്രോട്ടോണുകള്‍ തമ്മിലുള്ള വികര്‍ഷണം ഇല്ലാതാകുന്നതുകൊണ്ടല്ല, മറിച്ച്‌ തീവ്രബലം അത്രകണ്ട്‌ കൂടുതല്‍ ശക്തമായതുകൊണ്ടാണ്‌ ന്യൂക്ലിയസ്സില്‍ പ്രോട്ടോണുകള്‍ ഒരുമിച്ച്‌ നില്‍ക്കുന്നത്‌. തീവ്രബലം യഥാര്‍ഥത്തില്‍ പ്രോട്ടോണിനും പ്രോട്ടോണിനും ഇടയിലല്ല പ്രവര്‍ത്തിക്കുന്നത്‌. പ്രോട്ടോണുകളുടെ അടിസ്ഥാനകണങ്ങളായ ക്വാര്‍ക്കുകള്‍ക്കിടയിലാണ്‌ അവ പ്രവര്‍ത്തിക്കുന്നത്‌. അതുകൊണ്ട്‌ തന്നെ പ്രോട്ടോണ്‍-പ്രോട്ടോണ്‍ ജോഡികള്‍ക്കിടയിലും പ്രോട്ടോണ്‍-ന്യൂട്രോണ്‍, ന്യൂട്രോണ്‍-ന്യൂട്രോണ്‍ ജോഡികള്‍ക്കിടയിലും അത്‌ ഒരുപോലെ പ്രവര്‍ത്തിക്കുന്നു (ന്യൂക്ലിയസ്സില്‍ സ്ഥിതി ചെയ്യുന്ന കണങ്ങള്‍ എന്ന നിലയില്‍ പ്രോട്ടോണിനെയും ന്യൂട്രോണിനെയും ചേര്‍ത്ത്‌ പൊതുവായി ന്യൂക്ലിയോണ്‍ എന്ന്‌ പറയും).

തീവ്ര ബലത്തിന്റെ പ്രവര്‍ത്തനം പരിശോധിക്കുമ്പോള്‍ മറ്റൊരു ബോസോണിനെ നമ്മള്‍ പരിചയപ്പെടും – മെസോണ്‍. ന്യൂക്ലിയോണുകള്‍ തമ്മിലുള്ള ആകര്‍ഷണം സാധ്യമാകുന്നത്‌ അവര്‍ക്കിടയില്‍ മെസോണുകളെ പരസ്‌പരം കൈമാറിക്കൊണ്ടാണ്‌. എന്നാല്‍, മെസോണുകള്‍ മൗലികകണങ്ങള്‍ അല്ല. രണ്ടു ക്വാര്‍ക്കുകള്‍ ചേര്‍ന്ന്‌ ഉണ്ടാകുന്ന ഒരു ഹാഡ്രോണ്‍ ആണ്‌ മെസോണ്‍. (ഓര്‍ക്കുക, ക്വാര്‍ക്ക്‌ ഒരു ഫെര്‍മിയോണും മെസോണ്‍ ഒരു ബോസോണും ആണ്‌.) മെസോണുകളെ കൈമാറിക്കൊണ്ട്‌ ന്യൂക്ലിയോണുകള്‍ എങ്ങനെ ഒട്ടിച്ചേര്‍ന്ന്‌ നില്‍ക്കുന്നുവോ അതേപോലെ ഒരു സംവിധാനമാണ്‌ രണ്ടു ക്വാര്‍ക്കുകളെ തമ്മില്‍ ചേര്‍ന്ന്‌ മെസോണ്‍ ആയി നില്‍ക്കാനും സഹായിക്കുന്നത്‌. ഇവിടെയാണ്‌ തീവ്ര ബലത്തിന്റെ അടിസ്ഥാന ബോസോണിനെ നമ്മള്‍ പരിചയപ്പെടുന്നത്‌ – ഗ്ലുവോണ്‍ (gluon). ക്വാര്‍ക്കുകളെ തമ്മില്‍ ഒട്ടിക്കുന്ന ‘പശ’ (glue) എന്ന നിലയിലാണ്‌ അവയെ ഗ്ലുവോണ്‍ എന്ന്‌ വിളിക്കുന്നത്‌. ഗ്ലുവോണുകള്‍ ക്വാര്‍ക്കുകളെ തമ്മില്‍ ചേര്‍ത്ത്‌ മെസോണുകള്‍ ആയി നിര്‍ത്തുന്നു, ഈ മെസോണുകള്‍ ന്യൂക്ലിയോണുകളെ തമ്മില്‍ ചേര്‍ത്ത്‌ ആറ്റോമിക ന്യൂക്ലിയസ്‌ നിലനിര്‍ത്തുന്നു. ചുരുക്കിപ്പറഞ്ഞാല്‍ ഗ്ലുവോണുകള്‍ ആണ്‌ തീവ്ര ബലത്തിന്റെ ബ്രോക്കര്‍മാര്‍.

സ്റ്റാന്റേർഡ് മോഡൽ – ഇന്ററാക്ടീവ് പേജ് സന്ദർശിക്കാം

ബലം എന്ന വാക്കിന്‌ നമ്മുടെ മനസ്സിലുള്ള ചിത്രം ഉപേക്ഷിച്ചിട്ട്‌ വേണം ദുര്‍ബല ബലത്തെ പരിചയപ്പെടാന്‍ (ഭൗതികശാസ്‌ത്ര സിദ്ധാന്തങ്ങളില്‍ ബലം (Force) എന്നതിനേക്കാള്‍ പരസ്‌പരപ്രവര്‍ത്തനം (interaction) എന്ന വാക്കാണ്‌ കൂടുതല്‍ ഉപയോഗിക്കുന്നത്‌). ഇവിടെ ദുര്‍ബല ബലം കണങ്ങളെ അടുപ്പിച്ച്‌ നിര്‍ത്തുന്നതിന്‌ പകരം വേര്‍പെടുത്തുകയാണ്‌ ചെയ്യുന്നത്‌. ഇത്‌ ഒരു ന്യൂട്രോണിനെ പ്രോട്ടോണും ഇലക്ട്രോണും ആക്കി വേര്‍പെടുത്തുന്നു. ഇങ്ങനെ ഉണ്ടാകുന്ന ഇലക്ട്രോണും ഒരു ന്യൂട്രിനോയും കൂടി ന്യൂക്ലിയസ്സിന്‌ പുറത്തുവരുന്ന പ്രക്രിയയാണ്‌ ബീറ്റാ വികിരണം (beta decay) എന്ന റേഡിയോ ആക്ടീവ്‌ പ്രതിഭാസം. ഇവിടെ രണ്ടുതരം ഗേജ്‌ ബോസോണുകള്‍ ആണ്‌ പ്രവര്‍ത്തിക്കുന്നത്‌, അവയെ ചേര്‍ത്ത്‌ അന്തരാള വെക്‌റ്റര്‍ ബോസോണുകള്‍ (Intermediate vector bosons) എന്ന്‌ വിളിക്കും. W, Z എന്നീ ചിഹ്നങ്ങള്‍ കൊണ്ടാണ്‌ അവയെ സാധാരണ സൂചിപ്പിക്കുന്നത്‌.

നാലാമത്തേതും എന്നാല്‍ നമ്മള്‍ ആദ്യം പഠിക്കുന്നതുമായ ഗുരുത്വബലം ഇപ്പോഴും സ്റ്റാന്റേര്‍ഡ്‌ മോഡലിന്റെ ഭാഗമല്ല. എല്ലാത്തിനെയും വിശദീകരിക്കുന്ന ഒറ്റ സിദ്ധാന്തം (Unified Field Theory) എന്ന ഭൗതികശാസ്‌ത്രജ്ഞരുടെ സ്വപ്‌നം സാക്ഷാത്‌കരിക്കുന്നതിന്‌ ഗ്രാവിറ്റിയെക്കൂടി സ്റ്റാന്റേര്‍ഡ്‌ മോഡലിലേയ്‌ക്ക്‌ ഉള്‍പ്പെടുത്താനുള്ള ശ്രമങ്ങള്‍ നടക്കുന്നുണ്ട്‌. ഗ്രാവിറ്റോണുകള്‍ എന്ന ബോസോണുകള്‍ വഴി കൈമാറപ്പെടുന്ന ഒന്നാണ്‌ ഗുരുത്വബലം എന്ന നിലയിലുള്ള സിദ്ധാന്ത രൂപീകരണങ്ങള്‍ പുരോഗമിക്കുന്നുണ്ട്‌. ക്വാണ്ടം ഗ്രാവിറ്റി എന്നാണ്‌ അതിനെ വിളിക്കുന്നത്‌. എന്നാല്‍, ഇപ്പോഴും മറ്റ്‌ മൂന്ന്‌ ബലങ്ങളോട്‌ ഒപ്പം കൂട്ടാവുന്ന രീതിയില്‍ അത്‌ എത്തിയിട്ടില്ല.

ഫീല്‍ഡ്‌ സങ്കല്‍പ്പം

ഫീല്‍ഡ്‌ എന്ന സങ്കല്‍പ്പം കൂടി ഇവിടെ ഒന്ന്‌ മനസിലാക്കേണ്ടതുണ്ട്‌. ഓരോ ബലത്തിനും അനുബന്ധമായി പ്രപഞ്ചം മുഴുവന്‍ നിറഞ്ഞുനില്‍ക്കുന്ന ഒരു ഫീല്‍ഡ്‌ ഉണ്ടെന്നാണ്‌ ക്വാണ്ടം ഭൗതികത്തിന്റെ കാഴ്‌ചപ്പാട്‌. ഫീല്‍ഡ്‌ എന്ന ആശയം ആദ്യം മുന്നോട്ട്‌ വെച്ചത്‌ ക്വാണ്ടം ഫിസിക്‌സ്‌ ഒക്കെ ഉണ്ടാകുന്നതിനും വളരെ മുന്നേ മൈക്കല്‍ ഫാരഡേ ആണ്‌. മനസ്സിലാക്കാനുള്ള എളുപ്പത്തിന്‌ സൂര്യനെയും ഭൂമിയെയും ഉദാഹരണമായി അദ്ദേഹം അവതരിപ്പിച്ചു. സൂര്യന്‍ ഒറ്റയ്‌ക്ക്‌ ഈ വിശാലമായ പ്രപഞ്ചത്തില്‍ ഇരിക്കുന്നു എന്ന്‌ സങ്കല്‍പ്പിക്കുക. പെട്ടെന്ന്‌ ഒരു നിമിഷം ഭൂമിയെ നമ്മള്‍ അതിന്റെ കൃത്യമായ സ്ഥാനത്ത്‌ കൊണ്ട്‌ വെക്കുന്നു എങ്കില്‍ ആ വെക്കുന്ന നിമിഷം തന്നെ സൂര്യന്റെ ഗുരുത്വാകര്‍ഷണം അത്‌ അറിയുമോ? അതോ സൂര്യനില്‍ നിന്നും ഗുരുത്വബലം `സഞ്ചരിച്ച്‌’ ഭൂമി ഇരിക്കുന്ന സ്ഥലത്ത്‌ എത്തേണ്ടിവരുമോ? ഫാരഡേ പറഞ്ഞത്‌ സൂര്യന്‍ ഒറ്റയ്‌ക്ക്‌ ആണെങ്കിലും അതിന്റെ ഗുരുത്വപ്രഭാവം ചുറ്റുപാടും വ്യാപിച്ച്‌ നില്‌ക്കും എന്നാണ്‌. ഭൂമിയെ നമ്മള്‍ ശൂന്യമായ സ്ഥലത്തല്ല, മറിച്ച്‌ സൂര്യന്റെ ഗുരുത്വബലം വിരിച്ചിരിക്കുന്ന ഒരു വലയിലേക്കാണ്‌ കൊണ്ട്‌ വെക്കുന്നത്‌. ഈ വല ആണ്‌ ഗുരുത്വക്ഷേത്രം (gravitational field). ഭൂമിയെ സംബന്ധിച്ചു അത്‌ ഇരിക്കുന്ന സ്ഥാനത്തെ ഈ ഫീല്‍ഡിന്‌ മാത്രമേ പ്രസക്തിയുള്ളൂ, അതിന്റെ സ്രോതസ്സ്‌ ഏതാണെന്നത്‌ അവിടെ വിഷയമല്ല. ഇതുപോലെ ഒരു പ്രോട്ടോണ്‍ സൃഷ്ടിക്കുന്ന ഇലക്ട്രോമാഗ്‌നെറ്റിക്‌ ഫീല്‍ഡില്‍ വരുമ്പോഴാണ്‌ ഒരു ഇലക്ട്രോണിന്‌ ആ ബലം അനുഭവപ്പെടുന്നത്‌ (അല്ലെങ്കില്‍ തിരിച്ച്‌ ഇലക്ട്രോണിന്റെ ഫീല്‍ഡില്‍ പ്രോട്ടോണ്‍ വരുന്നു എന്ന്‌ പരിഗണിച്ചാലും ഇത്‌ ശരിയാണ്‌).

ഒരു ഫീല്‍ഡില്‍ ഒരു ബലം ഒരു കണത്തിന്‌ അനുഭവപ്പെടാന്‍ സഹായിക്കുന്നത്‌ ആ ബലത്തിന്റെ ഫീല്‍ഡില്‍ നൈമിഷികമായി പ്രത്യക്ഷപ്പെടുന്ന, നമ്മള്‍ നേരത്തെ പരിചയപ്പെട്ട ഗേജ്‌ ബോസോണുകളാണ്‌. ഇവ ആ കണത്തിനും ഫീല്‍ഡിനും ഇടയില്‍ കൈമാറ്റം ചെയ്യപ്പെടുമ്പോഴാണ്‌ ആ ബലം പ്രവര്‍ത്തിക്കുന്നതായി നാം കാണുന്നത്‌. ക്വാണ്ടം ഫീല്‍ഡ്‌ സിദ്ധാന്തത്തിന്റെ കണ്ണില്‍ കണികകളും ബലങ്ങളും ഫീല്‍ഡുകള്‍ തന്നെയാണ്‌. ഒരു പരീക്ഷണശാലയില്‍ കണികാഫീല്‍ഡുകളെ പരമ്പരാഗത സങ്കല്‍പ്പത്തിലുള്ള കണികകളായി നമുക്ക്‌ തിരിച്ചറിയാന്‍ കഴിയും എന്നേയുള്ളു. വൈദ്യുതകാന്തിക ക്ഷേത്രം എന്ന്‌ പറയുമ്പോള്‍ വൈദ്യുതകാന്തിക തരംഗം ആണെന്ന്‌ തെറ്റിദ്ധരിക്കാതെയും നോക്കേണ്ടതുണ്ട്‌. ഫീല്‍ഡ്‌ ഒരിയ്‌ക്കലും ഒരു തരംഗം അല്ല. മറിച്ച്‌ ഒരു ബലത്തിന്റെ ഫീല്‍ഡ്‌ എന്നാല്‍, ആ ബലത്തിന്റെ ഗേജ്‌ ബോസോണുകള്‍ നിരന്തരമായി പ്രത്യക്ഷപ്പെടുകയും അപ്രത്യക്ഷമാകുകയും ചെയ്‌തുകൊണ്ടിരിക്കുന്ന ഇടം (space) ആണെന്ന്‌ സങ്കല്‍പ്പിക്കാം.

ഹിഗ്‌സ്‌ ബോസോണ്‍

സമീപകാലത്ത്‌ കണികാ ഭൗതികത്തെ പൊതുജനമധ്യത്തില്‍ ചര്‍ച്ചാവിധേയമാക്കിയത്‌, `ദൈവകണം’ എന്ന ഇരട്ടപ്പേരില്‍ അറിയപ്പെടുന്ന ഹിഗ്‌സ്‌ ബോസോണിന്റെ കണ്ടെത്തലായിരുന്നു. ഇതുവരെ നാം പറഞ്ഞ കണികകളുടെ കൂട്ടത്തിലെങ്ങും അവയെ കണ്ടില്ല എന്നത്‌ ശ്രദ്ധിച്ചുകാണും.
സ്റ്റാന്റേര്‍ഡ്‌ മോഡലില്‍ വന്ന ഒരു പോരായ്‌മ പരിഹരിക്കാന്‍ വേണ്ടി എഴുപതുകളില്‍ അതിലേക്ക്‌ തിരുകിവെയ്‌ക്കപ്പെട്ട കണമാണ്‌ ഹിഗ്‌സ്‌ ബോസോണ്‍. തുടക്കത്തില്‍ W, Z എന്നീ ഗേജ്‌ ബോസോണുകള്‍ മാസ്‌ ഇല്ലാത്ത കണങ്ങള്‍ ആയിട്ടാണ്‌ പ്രവചിക്കപ്പെട്ടത്‌ എങ്കിലും യഥാര്‍ഥത്തില്‍ അവയ്‌ക്കു നല്ല ഭാരമുണ്ടെന്ന്‌ പിന്നീടു മനസ്സിലായി (Wന്‌ പ്രോട്ടോണിന്റെ 86 മടങ്ങും Z-ന്‌ 97 മടങ്ങും ദ്രവ്യമാനമുണ്ട്‌). ഈ കണങ്ങളുടെ ദ്രവ്യമാനം വിശദീകരിക്കുന്നതിനുവേണ്ടി അവതരിപ്പിക്കപ്പെട്ട സങ്കല്‍പ്പമാണ്‌ ഹിഗ്‌സ്‌ ഫീല്‍ഡ്‌. മറ്റ്‌ കണികാ ഫീല്‍ഡുകള്‍ പോലെ ഈ പ്രപഞ്ചം മുഴുവന്‍ വ്യാപിച്ച്‌ നില്‍ക്കുന്ന ഒരു ഫീല്‍ഡ്‌ ആണത്‌. ഈ ഫീല്‍ഡുമായി കണങ്ങള്‍ പ്രതിപ്രവര്‍ത്തിക്കുമ്പോള്‍ അവയ്‌ക്ക്‌ മാസ്‌ ലഭിക്കുന്നു. അതായത്‌ ഹിഗ്‌സ്‌ ഫീല്‍ഡുമായി എത്രത്തോളം ശക്തമായി പ്രതിപ്രവര്‍ത്തിക്കുന്നുവോ അത്രയും അധികം മാസ്‌ കണത്തിന്‌ ലഭിക്കുന്നു. ഹിഗ്‌സ്‌ ഫീല്‍ഡുമായി പ്രതിപ്രവര്‍ത്തിക്കാത്തതുകൊണ്ട്‌ ഫോട്ടോണിനും ഗ്ലൂവോണിനും മാസ്‌ ഇല്ല. ഇവിടെ ദ്രവ്യകണങ്ങള്‍ക്കും ഹിഗ്‌സ്‌ ഫീല്‍ഡിനും ഇടയിലെ `ബ്രോക്കര്‍’മാരാണ്‌ ഹിഗ്‌സ്‌ ബോസോണുകള്‍. മറ്റ്‌ ബ്രോക്കര്‍ കണങ്ങളെപ്പോലെ നൈമിഷികമായി പ്രത്യക്ഷപ്പെടുകയും അപ്രത്യക്ഷമാവുകയും ചെയ്യുന്ന ഈ കണങ്ങളെ ഈ ഫീല്‍ഡില്‍ നിന്നും അല്‍പനേരത്തെക്കെങ്കിലും സ്വതന്ത്രമാക്കണം എങ്കില്‍ (എന്നാല്‍ മാത്രമേ അവയെ `കണ്ടുപിടിക്കാന്‍’ കഴിയൂ) അവയുടെ ഭാരത്തിന്‌ ആനുപാതികമായ ഊര്‍ജം (E = mc2) നല്‍കാന്‍ കഴിയണം. പ്രോട്ടോണിന്റെ 200 മടങ്ങ്‌ ഭാരമുള്ളവയാണ്‌ ഹിഗ്‌സ്‌ കണങ്ങള്‍ എന്നതുകൊണ്ട്‌ തന്നെ അതത്ര എളുപ്പമായിരുന്നില്ല. ലാര്‍ജ്‌ ഹാഡ്രോണ്‍ കൊളൈഡര്‍ പോലുള്ള അതിഭീമന്‍ പരീക്ഷണ സംവിധാനങ്ങളുടെ പ്രസക്തി അവിടെയാണ്‌ വരുന്നത്‌. അവിടെ മാത്രമേ അത്രയും ഊര്‍ജം നല്‍കാനുള്ള സാധ്യതയുള്ളൂ. മിക്ക കണികകളും സൈദ്ധാന്തികമായി ഗണിത സഹായത്തോടെയാണ്‌ പ്രവചിക്കപ്പെടുന്നത്‌. എന്നാല്‍ അവയെ നേരിട്ട്‌ കണ്ടെത്തുക എന്നിടത്താണ്‌ അതിന്റെ സാധുത ഉറപ്പിക്കപ്പെടുന്നത്‌ എന്നതുകൊണ്ട്‌ തന്നെ, അതിന്‌ കെല്‍പ്പുള്ള കണികാപരീക്ഷണശാലകള്‍ ഇക്കാര്യത്തില്‍ നിര്‍ണായകമാണ്‌.

അങ്ങനെ ഹിഗ്‌സ്‌ ബോസോണ്‍ കൂടി ചേര്‍ന്ന, സ്റ്റാന്റേര്‍ഡ്‌ മോഡലിലെ `കണികാ കമ്മിറ്റി’യെ ചിത്രം 1-ല്‍ കാണുന്നതുപോലെ സംഗ്രഹിക്കാം.
രണ്ട്‌ കാര്യങ്ങള്‍ കൂടി ചെറുതായൊന്ന്‌ സൂചിപ്പിച്ചുകൊണ്ട്‌ അവസാനിപ്പിക്കാം. ഒന്ന്‌ പ്രതികണങ്ങള്‍ അഥവാ ആന്റിപാര്‍ട്ടിക്കിളുകളെ പറ്റിയാണ്‌. ചാര്‍ജ്‌, മാസ്സ്‌, സ്‌പിന്‍, എന്നിങ്ങനെ മൗലികകണങ്ങള്‍ക്ക്‌ ചില അടിസ്ഥാന സവിശേഷതകള്‍ ഉണ്ട്‌. ഇവയില്‍ ഏതെങ്കിലും ഒരു മൗലികകണത്തിന്റെ, ചാര്‍ജ്‌ മാത്രം വിരുദ്ധമായ ഒരു കണികയെ സങ്കല്‍പ്പിക്കുക. ഉദാഹരണത്തിന്‌, ഇലക്ട്രോണിന്റെ അതേ മാസ്സും സ്‌പിന്നും ഒക്കെ ആയിരിക്കുകയും ചാര്‍ജ്‌ പോസിറ്റീവായിരിക്കുകയും ചെയ്യുന്ന ഒരു കണം. അതിനെ ആന്റി-ഇലക്ട്രോണ്‍ എന്ന്‌ വിളിക്കും. അതാണ്‌ ഇലക്ട്രോണിന്റെ ആന്റിപാര്‍ട്ടിക്കിള്‍. ഇലക്ട്രോണിന്റെ കാര്യത്തില്‍ പ്രതികണത്തിന്‌ പോസിട്രോണ്‍ എന്നൊരു, കൂടുതല്‍ പരിചിതമായ പേരുണ്ട്‌. സ്റ്റാന്റേര്‍ഡ്‌ മോഡലിലെ എല്ലാ കണികകള്‍ക്കും ആന്റി-ക്വാര്‍ക്ക്‌, ആന്റി-ന്യൂട്രിനോ എന്നിങ്ങനെ പ്രതികണങ്ങള്‍ ഉണ്ട്‌. എന്നാല്‍ പ്രപഞ്ചദ്രവ്യം ഏതാണ്ട്‌ പൂര്‍ണമായും കണങ്ങളാല്‍ മാത്രം നിര്‍മിക്കപ്പട്ടവയാണ്‌, പ്രതികണങ്ങളാലല്ല. ഭൗതികത്തില്‍ ഇന്ന്‌ ഉത്തരമില്ലാത്ത ചോദ്യങ്ങളിലൊന്നാണ്‌ പ്രതിദ്രവ്യത്തിന്റെ (antimatter) അഭാവം. അതുപോലെ തന്നെ, അനേകം ക്വാര്‍ക്കുകളും ലെപ്‌റ്റോണുകളും ഒക്കെ സ്റ്റാന്റേര്‍ഡ്‌ മോഡലില്‍ ഉണ്ടെങ്കിലും, ആറ്റത്തിനുള്ളില്‍ അപ്പ്‌ ക്വാര്‍ക്കും ഡൗണ്‍ ക്വാര്‍ക്കും ഇലക്ട്രോണെന്ന ലെപ്‌റ്റോണും മാത്രമേ ഉള്ളുവെന്നതും ശ്രദ്ധിക്കണം. ചിത്രത്തില്‍ തലമുറകളായി അടയാളപ്പെടുത്തിയിരിക്കുന്ന ഫെര്‍മിയോണുകളില്‍ ഒന്നാം തലമുറ മാത്രമേ ദ്രവ്യചേരുവയില്‍ കാണപ്പെടുന്നുള്ളു. അതെന്തുകൊണ്ട്‌ എന്ന കാര്യത്തിലും നിലവില്‍ നമുക്ക്‌ വ്യക്തതയില്ല.

ഇനിയും ഉത്തരം കിട്ടാത്ത അനേകം ചോദ്യങ്ങളും സമസ്യകളും സ്റ്റാന്റേര്‍ഡ്‌ മോഡലില്‍ ബാക്കിയുണ്ട്‌. പക്ഷേ, അതിനെ ഒരു കുറവായി കാണണമെന്നില്ല. എല്ലാ ചോദ്യങ്ങള്‍ക്കും ഉത്തരമായാല്‍ പിന്നെ മുന്നോട്ടൊരു പോക്കില്ലല്ലോ!


കടപ്പാട് : 2022 മാർച്ച് ലക്കം ശാസ്ത്രഗതി

Happy
Happy
0 %
Sad
Sad
0 %
Excited
Excited
0 %
Sleepy
Sleepy
0 %
Angry
Angry
0 %
Surprise
Surprise
0 %

Leave a Reply

Previous post ഒരു നൂറ്റാണ്ടിനു ശേഷം എൻഡ്യൂറൻസ് കപ്പൽ കണ്ടെത്തി
Next post ഗ്ലെൻ ടി സീബോർഗ് ജൻമദിനം
Close