New CP-violating sources beyond the reach of EDMs

ब्रह्मांड सितारों से लेकर हमारे अपने शरीर के परमाणुओं तक, पदार्थ से भरा हुआ है, फिर भी यह एक गहरा रहस्य है कि यह पदार्थ अस्तित्व में क्यों है। भौतिकी के सबसे मौलिक नियमों के अनुसार, बिग बैंग को पदार्थ और प्रतिपदार्थ (antimatter) की समान मात्रा बनानी चाहिए थी, जो एक-दूसरे को तुरंत नष्ट कर देते, जिससे केवल शुद्ध ऊर्जा का शून्य स्थान बच जाता। यह तथ्य कि हम यहाँ हैं, इसका अर्थ है कि किसी चीज़ ने तराजू को झुका दिया, जिससे पदार्थ की एक सूक्ष्म अतिरिक्त मात्रा जीवित रह सकी। भौतिक विज्ञानी इस असंतुलन को 'बेरियन एसिमेट्री' (baryon asymmetry) कहते हैं। इसे समझाने के लिए, वे CP उल्लंघन (CP violation) नामक एक विशिष्ट प्रकार के व्यवहार की तलाश करते हैं, जो प्रकृति के नियमों में एक सूक्ष्म दोष है जो कणों और उनके दर्पण-प्रतिबिंब प्रतिपदार्थों के साथ अलग तरह से व्यवहार करता है। भौतिकी का वर्तमान मानक मॉडल इस प्रक्रिया के लिए एक तंत्र शामिल करता है, लेकिन यह आज हमें दिखने वाले पदार्थ की विशाल मात्रा की व्याख्या करने के लिए बहुत कमजोर है। इसने वैज्ञानिकों को इस असंतुलन के नए, छिपे हुए स्रोतों की खोज करने के लिए प्रेरित किया है, जो अक्सर कणों के घूमने (spin) या विद्युत क्षेत्रों के साथ उनकी अंतःक्रिया के तरीके में छिपे होते हैं।

द दशकों से, इन नए स्रोतों की खोज के लिए सबसे संवेदनशील उपकरण 'इलेक्ट्रिक डायपोल मोमेंट' (electric dipole moment) रहा है। एक इलेक्ट्रॉन या न्यूट्रॉन जैसे कण की कल्पना एक छोटे चुंबक के रूप में करें। यदि यह चुंबक अपने स्पिन के साथ पूरी तरह से संरेखित है, तो यह सामान्य है। लेकिन यदि इसके भीतर के धनात्मक और ऋणात्मक आवेश थोड़े इस तरह स्थानांतरित हो जाते हैं कि वे स्पिन के साथ मेल नहीं खाते, तो कण एक इलेक्ट्रिक डायपोल मोमेंट विकसित कर लेता है। यह बदलाव भौतिकी के एक विशिष्ट नियम, जिसे 'पैरिटी' (parity) कहा जाता है, के टूटने का सीधा संकेत है—यह विचार कि ब्रह्मांड दर्पण में देखने पर भी समान दिखना चाहिए। प्रयोग अविश्वसनीय रूप से सटीक हो गए हैं, उन्होंने इन कणों को इतनी सटीकता से मापा है कि उन्होंने उन कई सिद्धांतों को खारिज कर दिया है जो लुप्त पदार्थ की व्याख्या करने की कोशिश कर रहे थे। यदि कोई नया सिद्धांत एक बड़े इलेक्ट्रिक डायपोल मोमेंट की भविष्यवाणी करता है, और प्रयोगों में कुछ भी नहीं दिखता, तो उस सिद्धांत को आमतौर पर त्याग दिया जाता है।

वीनस कुस का एक नया शोध पत्र इस लंबे समय से चली आ रही धारणा को चुनौती देता है, जिसमें भौतिक विज्ञान के एक ऐसे वर्ग का प्रस्ताव दिया गया है जिसे इन इलेक्ट्रिक डायपोल प्रयोगों द्वारा देखा ही नहीं जा सकता। लेखक का तर्क है कि CP उल्लंघन के सभी स्रोत समान नहीं होते हैं। जबकि मानक इलेक्ट्रिक डायपोल मोमेंट के लिए एक विशिष्ट प्रकार के समरूपता भंग (symmetry breaking) की आवश्यकता होती है जो सिस्टम की दर्पण छवि को उलट देती है, इस कार्य में पहचाने गए नए स्रोत एक अलग नियम को तोड़ते हैं। वे उस समरूपता का उल्लंघन करते हैं जो कणों को उनके प्रतिपदार्थों के साथ बदलती है, जिसे 'चार्ज कंजुगेशन' (charge conjugation) कहा जाता है, जबकि दर्पण समरूपता को सख्ती से बनाए रखते हैं। क्योंकि इलेक्ट्रिक डायपोल मोमेंट एक ऐसी संपत्ति है जो कण-प्रतिपदार्थ परिवर्तन का सम्मान करती है, यह इस नए प्रकार के CP उल्लंघन के प्रति अंधा है। यह ऐसा ही है जैसे नया भौतिक विज्ञान एक ऐसी भाषा बोल रहा है जिसे इलेक्ट्रिक डायपोल मोमेंट समझ ही नहीं सकता।

इस विचार को सिद्ध करने के लिए, शोध पत्र कणों के एक छिपे हुए क्षेत्र (hidden sector) को शामिल करते हुए एक विशिष्ट सैद्धांतिक मॉडल का निर्माण करता है। यह मॉडल हिग्स बोसोन (Higgs bosons) नामक ज्ञात कणों के परिवार का विस्तार करता है, जो अन्य कणों को द्रव्यमान प्रदान करते हैं, और इसमें दो अतिरिक्त, अदृश्य संस्करण जोड़ता है। ये नए कण "इनर्ट" (inert) हैं, जिसका अर्थ है कि वे सामान्य बलों के माध्यम से साधारण पदार्थ के साथ अंतःक्रिया नहीं करते हैं, लेकिन वे आपस में और ब्रह्मांड के बल वाहकों (force carriers), जैसे कि W और Z बोसोन के साथ अंतःक्रिया करते हैं। इस छिपे हुए क्षेत्र में, कणों को नियंत्रित करने वाले जटिल गणितीय नियम इस तरह व्यवस्थित हैं कि वे आवश्यक CP उल्लंघन पैदा करते हैं। महत्वपूर्ण रूप से, क्योंकि ये नए कण 'स्केलर' (scalars) हैं—अर्थात बिना किसी आंतरिक स्पिन वाले कण—और क्योंकि वे एक विशिष्ट समरूपता द्वारा सुरक्षित हैं जो उन्हें साधारण पदार्थ से अलग रखती है, वे उन इलेक्ट्रिक डायपोल मोमेंट्स को उत्पन्न नहीं कर सकते जिन्हें प्रयोग खोज रहे हैं। शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि जब इन नए कणों को गणनाओं में शामिल किया जाता है, तब भी इलेक्ट्रॉन या न्यूट्रॉन जैसे ज्ञात कणों के इलेक्ट्रिक डायपोल मोमेंट्स शून्य रहते हैं, या कम से कम इतने छोटे होते हैं कि वे पता लगाने योग्य न हों।

इलेक्ट्रिक डायपोल प्रयोगों की छाया में छिपने के बजाय, यह नया प्रकार का CP उल्लंघन एक अलग तरीके से प्रकट होता है: बल-वाहक कणों की अंतःक्रियाओं के माध्यम से। शोध पत्र दिखाता है कि ये छिपे हुए कण तीन बल-वाहक कणों के बीच की अंतःक्रिया में एक विशिष्ट छाप छोड़ेंगे। विशेष रूप से, वे तीन बोसोन के बीच के संबंध की शक्ति और प्रकृति को बदल देंगे, जैसे कि दो W बोसोन और एक Z बोसोन। ये अंतःक्रियाएं, जिन्हें 'ट्रिपल गेज कपलिंग्स' (triple gauge couplings) कहा जाता है, समरूपता के एक विशिष्ट पैटर्न को प्रदर्शित करेंगी जो इलेक्ट्रिक डायपोल मोमेंट्स में देखी जाने वाली चीज़ के बिल्कुल विपरीत है। जबकि इलेक्ट्रिक डायपोल मोमेंट दर्पण समरूपता को तोड़ता है लेकिन कण-प्रतिपदार्थ परिवर्तन का सम्मान करता है, ये नई अंतःक्रियाएं कण-प्रतिपदार्थ परिवर्तन को तोड़ती हैं लेकिन दर्पण समरूपता का सम्मान करती हैं। यह एक स्पष्ट, परीक्षण योग्य हस्ताक्षर बनाता है जो वर्तमान डायपोल खोजों के लिए अदृश्य है लेकिन कण त्वरकों (particle accelerators) में उच्च-ऊर्जा टकरावों में देखा जा सकता है।

शोधकर्ता इस खोज की पुष्टि करने के लिए एक "सिलेक्शन रूल" (selection rule) परीक्षण का भी प्रस्ताव देते हैं, जो यह देखने पर निर्भर करता है कि एक एकल कण फोटॉन या अन्य बल वाहकों की विभिन्न संख्या में कैसे क्षय (decay) होता है। एक ऐसी दुनिया में जहाँ कण-प्रतिपदार्थ परिवर्तन के नियमों का सख्ती से पालन किया जाता है, एक तटस्थ कण फोटॉन की सम संख्या और फोटॉन की विषम संख्या दोनों में क्षय नहीं हो सकता। यदि एक कण को दो फोटॉन और तीन फोटॉन दोनों में क्षय होते हुए देखा जाता है, तो यह इस बात का पुख्ता प्रमाण होगा कि इस समरूपता का उल्लंघन हुआ है। शोध पत्र सुझाव देता है कि हालांकि मानक मॉडल पहले से ही बहुत सूक्ष्म तरीकों से इस नियम को तोड़ता है, लेकिन नया छिपा हुआ क्षेत्र बहुत अधिक प्रभाव पैदा करेगा। ऐसा क्षय पैटर्न, विशेष रूप से हिग्स बोसोन या अन्य भारी कणों के क्षय में, पता लगाना इस नए प्रकार के CP उल्लंघन का प्रत्यक्ष प्रमाण प्रदान करेगा।

यह कार्य महत्वपूर्ण है क्योंकि यह ब्रह्मांड के पदार्थ के रहस्य पर एक नया द्वार खोलता है। वर्षों से, पदार्थ-प्रतिपदार्थ असंतुलन की उत्पत्ति की खोज को इलेक्ट्रिक डायपोल प्रयोगों के कड़े प्रतिबंधों द्वारा सीमित कर दिया गया है, जिससे सिद्धांतकारों को ऐसे मॉडल बनाने के लिए मजबूर होना पड़ा है जो अक्सर पता लगाने से बचने के लिए अत्यधिक 'फाइन-ट्यून्ड' होते हैं। यह पत्र सुझाव देता है कि उत्तर साफ़ तौर पर सामने ही छिपा हुआ है, भौतिक विज्ञान के एक ऐसे क्षेत्र में जिसे ये प्रयोग देखने के लिए कभी डिज़ाइन ही नहीं किए गए थे। ट्रिपल गेज कपलिंग्स और विशिष्ट क्षय पैटर्न पर ध्यान केंद्रित करके, लेखक भविष्य के प्रयोगों को इस छिपे हुए असंतुलति स्रोत को खोजने के लिए एक मार्गदर्शिका प्रदान करते हैं। यदि इसकी पुष्टि हो जाती है, तो यह न केवल कॉस्मोलॉजी की एक बड़ी पहेली को हल करेगा बल्कि प्रकृति द्वारा अपनी स्वयं की समरूपताओं के उल्लंघन के एक मौलिक रूप से भिन्न तरीके को भी प्रकट करेगा, जो उन अदृश्य कणों की संरचना में निहित है जिन्होंने शायद हमारे अस्तित्व को आकार दिया है।