म्यूऑन के गुणों को समझने के लिए ‘Muon g-2’ प्रयोग

अप्रैल, 2021 में फिजिकल रिव्यू लेटर्स जर्नल में प्रकाशित एक अध्ययन में फर्मी नेशनल एक्सेलरेटर लैबोरेटरी (या फर्मिलैब) द्वारा मूल कणों (इलेक्ट्रॉनों के समान), जिन्हें म्यूऑन्स (muons) के नाम से जाना जाता है, पर किए गए एक प्रयोग के परिणामों में वैज्ञानिकों ने प्रकृति के नियमों को नियन्त्रित करने वाली नई भौतिकी की सम्भावना के संकेत दिए हैं। फर्मिलैब, 1967 में स्थापित और शिकागो (यूएस) के पास स्थित संयुक्त राज्य अमेरिका के ऊर्जा विभाग की राष्ट्रीय प्रयोगशाला है जो उच्च-ऊर्जा कण भौतिकी में माहिर है।

कण भौतिकी प्रयोग, जिसे ‘Muon g-2’ (g minus two) के रूप में जाना जाता है, म्यूऑन के गुणों को समझने के लिए किया गया था। हालांकि, म्यूऑन, जो इलेक्ट्रॉन के समान एक कण है, बहुत भारी है और ब्रह्माण्ड का एक अभिन्न तत्व है। इस प्रयोग का मुख्य उद्देश्य म्यूऑन कण के अनियमित द्विध्रुवीय आघूर्ण को निर्धारित करना और कण भौतिकी के ‘मानक मॉडल’ के तहत गणना किए गए अनियमित द्विध्रुवीय आघूर्ण के साथ इसके परिणामों की तुलना करना था।

म्यूऑन का अध्ययन करने वाले इस प्रयोग के परिणाम ‘मानक मॉडल’ के पूर्वानुमानों से मेल नहीं खाते, जिस पर सम्पूर्ण कण भौतिकी आधारित है। भौतिकविदों के अनुसार, ब्रह्माण्ड के स्वरूप और विकास के लिए महत्वपूर्ण पदार्थ और ऊर्जा के ऐसे कई रूप हैं, जिनसे विज्ञान अभी तक अनभिज्ञ है। इसके बजाय, इसने 20 साल पहले किए गए एक प्रयोग (ब्रुकहेवन प्रयोग) में खोजी गई एक विसंगति की पुष्टि की।

कण भौतिकी का मानक मॉडल

हमारे चारों ओर जो भी पदार्थ हैं, वे मूल कणों से बने हैं और ये चार मूलभूत बलों द्वारा नियन्त्रित होते हैं। इन बलों में प्रबल बल (प्रबल परमाणु बल), दुर्बल बल (दुर्बल परमाणु बल), गुरुत्वाकर्षण बल और विद्युत चुम्बकीय बल शामिल हैं। मानक मॉडल मूल कणों के साथ इन बलों (गुरुत्वाकर्षण बल को छोड़कर) के सम्बन्ध का समावेश करता है।

• सभी मूल कण दो समूहों में मौजूद होते हैं, अर्थात ‘क्वार्क’ और ‘लेप्टॉन’। दोनों समूहों में आगे छह कण होते हैं, जो जोड़े (या पीढ़ियों) में होते हैं।
• पहली पीढ़ी में ऐसे कण शामिल हैं, जो अधिक स्थिर और हल्के होते हैं। दूसरी और तीसरी पीढ़ी में ऐसे कण शामिल हैं जो भारी और अपेक्षाकृत कम स्थिर होते हैं।
• मानक मॉडल छह प्रकार के क्वार्क, छह लेप्टॉन, हिग्स बोसॉन (मूल कण), तीन मूलभूत बलों (प्रबल बल, दुर्बल बल और विद्युत चुम्बकीय बल) और उप-परमाण्विक कण विद्युत चुम्बकीय बलों के प्रभाव में किस प्रकार से व्यवहार करते हैं, इसके लिए नियम बताता है।
• Muon लघ्वणुओं (लेप्टॉन) में से एक है। यह एक इलेक्ट्रॉन के बराबर है, लेकिन उससे 200 गुना बड़ा और अत्यधिक अस्थिर है, जो एक सेकेण्ड के एक भाग तक जीवित रहता है।
• मानक मॉडल के अनुसार, ‘बोसॉन’ (बल-वाहक कण) तीन बलों (गुरुत्वाकर्षण बल को छोड़कर) के परिवर्तन के परिणामस्वरूप बनते हैं। प्रत्येक मूल बल के लिए बोसॉन मौजूद होते हैं: कमजोर बल के लिए ‘डब्ल्यू और जेड बोसॉन’; ‘फोटॉन’ विद्युत चुम्बकीय बल का वहन करते हैं; प्रबल बल के लिए ‘ग्लूऑन्स’ जिम्मेदार होते हैं; और गुरुत्वाकर्षण के कारण बोसॉन के ‘गुरुत्वाणु’ होने की उम्मीद है (हालांकि, अभी इसका पता नहीं चल पाया है)।

वर्तमान में, भले ही मानक मॉडल मूल कणों की सबसे सटीक तस्वीर प्रदान करता है, फिर भी इसमें कुछ कमियां हैं, जैसेकिः

• यह गुरुत्वाकर्षण को छोड़कर, केवल तीन बलों की मौजूदगी के लक्षणों की व्याख्या करता है।
• यह ‘डार्क मैटर’ के अस्तित्व और बिग बैंग के बाद एण्टीमैटर के अस्तित्व की व्याख्या करने में विफल है।
• यह लेप्टॉन और क्वार्क की तीन पीढ़ियों के द्रव्यमान के अन्तर की व्याख्या करने में भी असमर्थ है।

Muon कणों के बारे में

Muon एक मूल कण है जो एक इलेक्ट्रॉन के बराबर होता है। इसमें वैद्युत आवेश की मात्रा इलेक्ट्रॉन (–1 e) के बराबर होती है। हालांकि, इसका द्रव्यमान एक इलेक्ट्रॉन (लगभग 207 गुना भारी) की तुलना में अधिक होता है। ये 2.2 माइक्रोसेकेण्ड के औसत जीवनकाल के साथ अत्यधिक अस्थिर कण होते हैं।

Muon को लघ्वणुओं के रूप में वर्गीकृत किया गया है। लघ्वणु एक मूल कण है, जिसमें एक अर्ध-पूर्णांक स्पिन होता है और इसमें अत्यधिक अन्तःक्रियाएं होती हैं। लघ्वणु आवेशित हो भी सकते हैं और नहीं भी। इसलिए, Muon को आवेशित लघ्वणु के रूप में वर्गीकृत किया गया है। सभी मूल कणों की तरह, इसमें प्रतिकूल आवेश (+1 e) का एक समरूपी प्रतिकण होता है जबकि इसका द्रव्यमान और स्पिन बराबर होता है। m एक Muon को दर्शाता है, और m⁺ एक antimuon को घोतित करता है। ये रेडियोधर्मिता से क्षय हुई ऊर्जा की तुलना में अधिक द्रव्यमान और ऊर्जा के कारण होने वाले रेडियोधर्मी क्षय द्वारा निर्मित नहीं होते हैं।

Muon g-2 के बारे में

• Muon में एक दण्ड चुम्बक (बार मैग्नेट) के समान एक आन्तरिक चुम्बक है। इसमें स्पिन या कोणीय गति भी होती है।
• g-2 में g, जाइरोमैग्नेटिक अनुपात को दर्शाता है, जिसे चुम्बक की क्षमता और उसके घूर्णन की दर के माध्यम से निर्धारित किया जाता है।
• चूंकि Muon के लिए ‘g’ के मान ने 2 के अपेक्षित मान से वास्तव में मामूली विचलन (लगभग 0.1 प्रतिशत) दिखाया, इस प्रयोग को ‘Muon g-2’ कहा गया।
• उल्लिखित विसंगति, जिसका इस प्रयोग की सहायता से अध्ययन किया गया था और उसे Muon का विषम चुम्बकीय क्षण कहा गया था, की पुष्टि की।

Muon का उपयोग करके जी-2 प्रयोग करने के प्रमुख कारण इस प्रकार हैं:

• Muons के अधिक मिश्रित भाग नहीं होते हैं।
• एक मिश्रित कण की ऊर्जा (उदाहरण के लिए, प्रोटॉन) उसके घटक कणों की ऊर्जा का योग है। लेकिन एक Muon में केवल अपनी ऊर्जा होती है।
• इसके अलावा, Muon, इलेक्ट्रॉन से बहुत भारी होने के कारण, नए प्रकार के आभासी कणों के प्रति अधिक प्रतिक्रियाशील होता है।
• फर्मिलैब ने शक्तिशाली कण त्वरक का उपयोग किया जो अमेरिका में किसी भी अन्य त्वरक से उत्पन्न Muons की तुलना में अपेक्षाकृत अधिक Muon का उत्पादन करने में सक्षम थे। त्वरक, Muons के उत्पादन और उन्हें लगभग प्रकाश की गति से प्रसारित करने के लिए जिम्मेदार है।
• इस प्रक्रिया के हिस्से के रूप में उत्पादित एक Muon एक इलेक्ट्रॉन और दो न्यूट्रीनों में विघटित होने से पहले 64 माइक्रोसेकेण्ड तक मौजूद रहता है। यह वैज्ञानिकों को विघटन प्रक्रिया के शुरू होने से पहले इसके गुणों को ठीक से मापने के लिए पर्याप्त समय प्रदान करता है।

Muon g-2 का महत्व

• वैज्ञानिकों ने खोज कर यह पता लगाया है कि निर्वात बिल्कुल ‘शून्य’ स्थान नहीं है, बल्कि इसमें वास्तविक कणों के साथ ही आभासी कण भी होते हैं, जिनका अस्तित्व बनता और नष्ट होता रहता है।
• सम्भवतः ये कण प्रकाश और अन्य कणों (जिनमें फोटॉन, इलेक्ट्रॉन आदि शामिल हैं) के साथ अन्योन्यक्रिया करते हैं।
• चूंकि, आभासी कणों में निर्वात में मौजूद रहने के लिए एक छोटी अवधि होती है और वास्तव में बड़े पैमाने पर हो सकती है, फर्मिलैब में कण त्वरक वर्तमान में उन्हें उत्पन्न करने या उनका पता लगाने में असमर्थ हैं। इसलिए, वैज्ञानिकों ने सीधे कणों का उत्पादन न करके मूल कणों के बारे में अध्ययन करने के लिए एक माध्यम के रूप में निर्वात का उपयोग किया है।
• अत्यधिक ऊर्जा के टकरावों के परिणामस्वरूप त्वरक के अन्दर तुरन्त Muons उत्पन्न हो सकते हैं। इसलिए, वैज्ञानिक चुम्बकीय क्षेत्र में Muons के गुणों का निरीक्षण करने के लिए निर्वात का उपयोग कर रहे हैं।
• जब Muon को एक चुम्बकीय क्षेत्र में रखा जाता है, तो वह अपने घूर्णी अक्ष के सापेक्ष अयनांश या परिवर्तन से गुजरता है।
• ऐसा इसके घूर्णन के चुम्बकीय क्षण में चुम्बकीय क्षेत्र द्वारा उत्पन्न चुम्बकीय बलाघूर्ण के तनाव के परिणामस्वरूप होता है।
• Muon का जी-वैल्यू उन कणों से बदल जाता है जो निर्वात के भीतर और बाहर आते रहते हैं। Muon की अयनांश दर भी ‘g-2’ से बदल जाती है।
• इन दोनों मूल्यों के बीच पाया गया अन्तर नए कणों के अस्तित्व को इंगित करेगा, जिनकी खोज अभी की जानी है।

Muon g-2 के पीछे कार्य अवधारणा

• पूर्व-निर्धारित मापदण्डों के चुम्बकीय क्षेत्र को जोड़ने के लिए एक भण्डारण रिंग का उपयोग किया जाता है।
• एक बीम, जिसमें संरेखित स्पिन के साथ Muons होते हैं, को इस रिंग के भीतर निर्देशित किया जाता है।
• चुम्बकीय क्षेत्र से उत्पन्न तनाव के कारण, Muons अयनांश से गुजरते हैं, जिससे उनके स्पिन में बदलाव होता है।
• इस अयनांश दर का अवलोकन उच्च परिशुद्धता से किया जाता है। अयनांश के इस परिमाण का सीधा सम्बन्ध g-2 के अन्तर से है।

Muon बीम का उत्पादन

• प्रारम्भ में प्रोटॉन का एक पुंज बनाया जाता है। कण त्वरक इनमें से लगभग 10¹² प्रोटॉन को प्रत्येक सेकेण्ड में 12 बार तोड़ते हैं।
• यह विभिन्न प्रकार के कणों के सृजन की ओर ले जाता है। इस प्रक्रिया के हिस्से के रूप में, वैज्ञानिकों में पायॉन्स (एक मध्याणु जो क्वार्क और एण्टीक्वार्क के संयोजन से बनता है, और यह सकारात्मक, नकारात्मक या तटस्थ हो सकता है, इसका द्रव्यमान इलेक्ट्रॉन से लगभग 270 गुना अधिक होता है।) की उत्पत्ति के बारे में कौतूहल उत्पन्न करता है, जिनके स्पिन उसी दिशा की ओर इशारा करते हैं।
• ये पायॉन्स अन्ततः थोड़े समय में Muons में विघटित हो जाते हैं। फिर पायॉन्स और परिणामी Muons दोनों को चुम्बक के माध्यम से एक त्रिकोणीय आकार की सुरंग में निर्देशित किया जाता है।
• यह सुरंग, जिसे म्यूऑन डिलिवरी रिंग कहा जाता है, को पहले फर्मिलैब द्वारा एण्टीप्रोटॉन स्रोत के रूप में इस्तेमाल किया गया था।
• पायॉन्स धीरे-धीरे विघटित होकर Muons बन जाते हैं, जबकि इस वलय के भीतर सभी कण सैकड़ों गज की दूरी तय करते हैं।
• अन्त में, परिणामी बीम, जिसमें Muons होते हैं, को सटीक भण्डारण रिंग में स्थानान्तरित किया जाता है, जिसका उपयोग g-2 प्रयोग करने के लिए किया जाता है।

Muon g-2 प्रयोग के निष्कर्ष

फर्मिलैब के वैज्ञानिकों के अनुसार, परिणाम, मानक मॉडल के पूर्वानुमानों से हटते हुए, ब्रुकहेवन के परिणामों से सम्पूर्ण रूप से सहमत हैं।

• Muon के लिए स्वीकृत सैद्धान्तिक मूल्य हैं:

g-फैक्टरः 2.00233183620

विषम चुम्बकीय क्षणः 0.00116591810

• 7 अप्रैल, 2021 को घोषित किए गए नए प्रयोगात्मक परिणाम (ब्रुकहेवन और फर्मिलैब के संयुक्त परिणाम) हैं:

g-फैक्टरः 2.00233184122

विषम चुम्बकीय क्षणः 0.00116592061

परिणाम का महत्व

ब्रुकहेवन के पूर्ववर्ती और अब फर्मिलैब के परिणाम, Muon और चुम्बकीय क्षेत्र के बीच अज्ञात अन्योन्यक्रिया की विद्यमानता की ओर इशारा करते हैं। इन अन्तःक्रियाओं में नए कण या बल शामिल हो सकते हैं। हालांकि, इसे अन्तिम खोज के रूप में नहीं माना जा सकता, क्योंकि इसने इस क्षेत्र में और अधिक शोधों के लिए मार्ग खोल दिए हैं।

मानक मॉडल और g-2 प्रयोग के बीच परिणामों की तुलना

मानक मॉडल का उपयोग करते हुए Muon g-2 के लिए किए गए पूर्वानुमान 400 भाग प्रति बिलियन तक सटीक हैं, जबकि फर्मिलैब के Muon g-2 द्वारा लगाए गए पूर्वानुमान 140 भाग प्रति बिलियन तक सटीक होने का अनुमान है। दूसरे शब्दों में, कोई खोज करने का दावा करने के लिए, वैज्ञानिकों को ऐसे परिणामों की आवश्यकता होती है जो मानक मॉडल से 5 मानक विचलन से अलग हों। यहां, फर्मिलैब और ब्रुकहेवन के संयुक्त परिणाम 4.2 मानक विचलन से भिन्न हैं।

Muon g-2 प्रयोग के परिणामों की पुष्टि कई वर्षों के बाद ही की जाएगी। तत्पश्चात, इन परिणामों की तुलना मानक मॉडल के पूर्वानुमानों (सैद्धान्तिक) से की जाएगी। सैद्धान्तिक पूर्वानुमानों से प्रयोगात्मक परिणामों का विचलन अज्ञात कणों और इसके अलावा, कण भौतिकी की दुनिया में नई खोजों की सम्भावनाओं को इंगित करेगा।

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