Complex Scalar Singlet Model: Electroweak Phase Transition and Gravitational Waves

आज हम जो ब्रह्मांड देखते हैं वह लगभग पूरी तरह से पदार्थ (matter) से बना है, फिर भी भौतिकी के नियम बताते हैं कि बिग बैंग को पदार्थ और प्रति-पदार्थ (antimatter) की समान मात्रा बनानी चाहिए थी, जो एक-दूसरे को तुरंत नष्ट कर देती और पीछे कुछ भी नहीं बचता। यह गहरा असंतुलन, जिसे बेरियन विषमता (baryon asymmetry) कहा जाता है, भौतिकी के सबसे अनसुलझे रहस्यों में से एक है। मानक मॉडल (Standard Model), जो कणों के परस्पर क्रिया करने के हमारे सर्वोत्तम वर्तमान सिद्धांत का आधार है, यह समझाने में असमर्थ है कि हम क्यों अस्तित्व में हैं। यह प्रारंभिक ब्रह्मांड में एक सहज, सौम्य संक्रमण की भविष्यवाणी करता जो इस आवश्यक पदार्थ-प्रतिपदार्थ विभाजन को होने से रोकने के लिए पर्याप्त नहीं होता। इसे हल करने के लिए, भौतिक विज्ञानी ज्ञात नियमों से परे नई भौतिकी की तलाश करते हैं, विशेष रूप से उन परिदृश्यों की जहाँ प्रारंभिक ब्रह्मांड ने एक सुचारू परिवर्तन के बजाय एक हिंसक, अचानक परिवर्तन का अनुभव किया हो। इस प्रकार का अचानक बदलाव, जिसे 'स्ट्रॉन्ग फर्स्ट-ऑर्डर फेज ट्रांजिशन' कहा जाता है, वह आवश्यक उथल-पुथल पैदा कर सकता था जिसने आज हमें दिखने वाले पदार्थ को जन्म दिया। महत्वपूर्ण रूप से, इस तरह की हिंसक घटना ने स्वयं स्पेसटाइम के ताने-बाने में लहरें भेजी होंगी, जिससे गुरुत्वाकर्षण तरंगों की एक पृष्ठभूमि ध्वनि (background hum) उत्पन्न हुई होगी जो अरबों वर्षों के बाद भी पता लगाने योग्य हो सकती है।

इंडियन एसोसिएशन फॉर द कल्टिवेशन ऑफ साइंस के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस हिंसक संक्रमण को घटित करने के एक विशिष्ट और सुरुचिपूर्ण तरीके की खोज की है। उन्होंने मानक मॉडल का विस्तार करते हुए इसमें एक नया कण: एक कॉम्प्लेक्स स्केलर सिंगलेट (complex scalar singlet) जोड़ा है। सरल शब्दों में, यह एक नए प्रकार का क्षेत्र (field) है जो स्थान में व्याप्त है, जो हिग्स फील्ड (Higgs field) से अलग है लेकिन इसके साथ परस्पर क्रिया करता है। इस विचार के सरल संस्करणों के विपरीत, जो इस नए क्षेत्र के व्यवहार पर सख्त नियम लागू करते हैं, इन वैज्ञानिकों ने इस क्षेत्र को यथासंभव सामान्य रहने दिया, जिससे यह जटिल मान (complex values) लेने में सक्षम हुआ। यह लचीलापन इस नए क्षेत्र को एक वास्तविक (real) और एक काल्पनिक (imaginary) घटक दोनों रखने की अनुमति देता है, जिनमें से प्रत्येक परिचित हिग्स फील्ड के साथ मिलकर प्रारंभिक ब्रह्मांड में एक मान प्राप्त करता है। इन तीन परस्पर क्रिया करने वाले क्षेत्रों के व्यवहार का अनुकरण करते हुए, शोधकर्ताओं ने जांचा कि क्या यह सेटअप आवश्यक हिंसक चरण संक्रमण (phase transition) को प्रेरित कर सकता है।

टीम ने एक विशाल कम्प्यूटेशनल स्कैन किया, जिसमें एक लाख से अधिक विभिन्न मापदंडों (parameters) के संयोजनों का परीक्षण किया गया ताकि यह देखा जा सके कि कौन से वांछित परिणाम उत्पन्न करते हैं। उन्होंने ज्ञात भौतिकी पर आधारित सख्त नियमों को लागू किया, यह सुनिश्चित करते हुए कि उनके प्रस्तावित परिदृश्य ऊर्जा संरक्षण या कण प्रकीर्णन की गति की सीमाओं जैसे मौलिक सिद्धांतों का उल्लंघन न करें। उन्होंने यह भी जांचा कि क्या परिणाम लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (LHC) में लिए गए सटीक मापों से मेल खाते हैं। उनके द्वारा परीक्षण किए गए विशाल संभावनाओं में से, केवल एक बहुत छोटा हिस्सा—लगभग छह-दशम भाग प्रतिशत—ही एक मजबूत प्रथम-क्रम चरण संक्रमण बनाने में सफल रहा। यह दुर्लभता इस बात को रेखांकित करती है कि इस तरह की घटना को उत्पन्न करने के लिए प्रारंभिक ब्रह्मांड में बलों का संतुलन कितना नाजुक होना चाहिए। शोधकर्ताओं ने पाया कि सफल संक्रमण तब हुए जब नए कणों के द्रव्यमान और उनके अंतःक्रिया मान बहुत विशिष्ट श्रेणियों के भीतर थे, विशेष रूप से तब जब भारी नए कणों का द्रव्यमान उस मान के लगभग तुल्य था जो नया क्षेत्र निर्वात (vacuum) में लेता है।

इस जटिल परिदृश्य को समझने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक मशीन लर्निंग टूल का उपयोग किया, जो पैटर्न पहचानने के लिए डिज़ाइन किया गया एक प्रकार का कृत्रिम बुद्धिमत्ता (AI) है। उन्होंने इस प्रणाली को उन मापदंडों के बीच अंतर करने के लिए प्रशिक्षित किया जो एक हिंसक संक्रमण की ओर ले जाते हैं और जो नहीं ले जाते। यह उपकरण अत्यधिक प्रभावी सिद्ध हुआ, जिसने उच्च सटीकता के साथ सफल परिदृश्यों की सही पहचान की। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि मशीन लर्निंग विश्लेषण ने मॉडल के अंतर्निहित तर्क को प्रकट किया, यह पुष्टि करते हुए कि संक्रमण की शक्ति नए कण द्रव्यमानों और उनके अंतःक्रिया मानों के बीच के संबंध पर गहराई से निर्भर थी। अध्ययन ने कई विशिष्ट "बेंचमार्क" परिदृश्यों की पहचान की जो प्रमुख उदाहरण के रूप में कार्य करते हैं। इनमें से कुछ में एक एकल, नाटकीय बदलाव शामिल था, जबकि अन्य में एक बहु-चरणीय प्रक्रिया शामिल थी जहाँ ब्रह्मांड चरणों में अवस्थाएँ बदलता है। सबसे आशाजनक मामलों में, संक्रमण इतना मजबूत था कि वह पदार्थ-प्रतिपदार्थ विषमता को समझाने के लिए आवश्यक स्थितियों को पूरा कर सके।

इन निष्कर्षों का सबसे रोमांचक परिणाम पता लगाने की क्षमता है। ऐसे चरण संक्रमण के दौरान होने वाले हिंसक बुलबुले टकराव और तरल हलचल गुरुत्वाकर्षण तरंगों की एक स्टोकेस्टिक पृष्ठभूमि (stochastic background) उत्पन्न करेंगे। शोधकर्ताओं ने इन घटनाओं द्वारा उत्पन्न संकेत की गणना की और इसकी तुलना भविष्य के अंतरिक्ष-आधारित डिटेक्टरों, जिसमें यूरोपीय अंतरिक्ष एजेंसी का LISA मिशन और DECIGO एवं BBO जैसी अधिक उन्नत अवधारणाएं शामिल हैं, की अनुमानित संवेदनशीलता से की। उन्होंने पाया कि जिन परिदृश्यों में संक्रमण में मानक हिग्स क्षेत्र और नए जटिल क्षेत्र दोनों शामिल थे, वहां उत्पन्न गुरुत्वाकर्षण तरंग संकेत भविष्य के इन उपकरणों द्वारा देखे जाने के लिए पर्याप्त मजबूत होगा। यह संकेत आवृत्ति स्पेक्ट्रम (frequency spectrum) में एक विशिष्ट शिखर (peak) के रूप में दिखाई देगा, जो ब्रह्मांड के बैकग्राउंड शोर से ऊपर उठेगा। यह सुझाव देता है कि यदि प्रकृति ने हमारे पदार्थ-प्रधान ब्रह्मांड को बनाने के लिए इसी विशिष्ट पथ को चुना था, तो हमारे पास जल्द ही उस घटना की गूँज सुनने के लिए तकनीक होगी, जो प्रारंभिक ब्रह्मांड की उच्च-ऊर्जा भौतिकी के लिए एक सीधा झरोखा प्रदान करेगी।

यह कार्य निश्चित रूप से बेरियन विषमता के रहस्य को सुलझाने का दावा नहीं करता है, बल्कि यह प्रदर्शित करता है कि एक कॉम्प्लेक्स सिंगलेट स्केलर के साथ मानक मॉडल का एक न्यूनतम विस्तार एक व्यवहार्य और सम्मोहक उम्मीदवार है। यह एक ऐसा ढांचा प्रदान करता है जहाँ पदार्थ उत्पन्न करने के लिए आवश्यक शर्तें बिना किसी विचित्र, अप्रमाणित समरूपता (symmetry) की आवश्यकता के पूरी की जा सकती हैं। यह अध्ययन यह भी रेखांकित करता है कि सैद्धांतिक संभावनाओं के विशाल और जटिल स्थान को नेविगेट करने के लिए पारंपरिक भौतिकी सिमुलेशन और आधुनिक मशीन लर्निंग को संयोजित करने की शक्ति कितनी अधिक है। सैद्धांतिक संभावनाओं के विशिष्ट क्षेत्रों को चिह्नित करके, शोधकर्ताओं ने प्रयोगवादियों के लिए एक स्पष्ट लक्ष्य प्रदान किया है। अगला कदम भविष्य के गुरुत्वाकर्षण तरंग वेधशालाओं के ऑनलाइन आने का इंतजार करना है, जो या तो अनुमानित संकेत का पता लगाएगा और प्रारंभिक ब्रह्मांड की इस तस्वीर की पुष्टि करेगा, या इसे खारिज कर देगा, जिससे भौतिक विज्ञानियों को यह खोजने के लिए कहीं और देखने के लिए मजबूर होना पड़ेगा कि हम यहाँ क्यों हैं।