String phenomenology from the landscape
यह शोध पत्र तर्क देता है कि देखा गया 125 GeV हिग्स द्रव्यमान और प्राकृतिक सुपरसिमेट्री स्ट्रिंग लैंडस्केप में चार्ज-एंड-कलर ब्रेकिंग मिनिमा के पास "लिविंग डेंजरसली" (खतरनाक जीवन जीना) के माध्यम से सह-अस्तित्व में रह सकते हैं, जहाँ बड़े A-टर्म्स एक साथ हिग्स द्रव्यमान को बढ़ाते हैं और फाइन-ट्यूनिंग को कम करते हैं, साथ ही ऐसे परिदृश्यों के लिए हाई-ल्यूमिनोसिटी LHC की खोज क्षमता की रूपरेखा भी प्रस्तुत करता है।
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हिग्स बोसोन की खोज के बाद के दशकों में, भौतिक विज्ञानी एक ऐसी पहेली को सुलझाने की कोशिश कर रहे हैं जो हमारी वास्तविकता की समझ के बिल्कुल किनारे पर स्थित है। ऐसा प्रतीत होता है कि ब्रह्मांड नियमों के एक ऐसे समूह पर बना है जो पदार्थ, प्रकाश और उन्हें थामे रखने वाले बलों की अनुमति देते हैं, लेकिन ये नियम अधूरे लगते हैं। एक प्रमुख विचार, जिसे सुपरसिमेट्री (supersymmetry) के रूप में जाना जाता है, यह सुझाव देता है कि हमारे द्वारा ज्ञात प्रत्येक कण का एक भारी, अदृश्य साथी होता है। ये साथी केवल गणितीय युक्ति नहीं हैं; वे यह समझाने के लिए आवश्यक हैं कि हिग्स बोसोन का द्रव्यमान विशिष्ट मान क्यों रखता है, और ब्रह्मांड अस्तित्व में रहने के लिए पर्याप्त स्थिर क्यों है। हालाँकि, इस सिद्धांत के काम करने के लिए, इन अदृश्य साथियों के पास कुछ विशेष गुण होने चाहिए, विशेष रूप से इस संबंध में कि वे कितने भारी हैं और वे एक-दूसरे के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। यदि ये साथी बहुत भारी हैं या गलत तरीके से परस्पर क्रिया करते हैं, तो ब्रह्मांड का नाजुक संतुलन बिगड़ जाएगा, या हिग्स बोसोन का द्रव्यमान उस मान से भिन्न होगा जिसे हमने मापा है। वैज्ञानिकों के लिए चुनौती इस सिद्धांत के उस विशिष्ट संस्करण को खोजने की है जिसे प्रकृति ने वास्तव में चुना है, न कि उन कई संस्करणों को जो गणितीय रूप से तो संभव हैं लेकिन भौतिक रूप से असंभव हैं।
शोधकर्ताओं के एक दल ने इस समस्या के समाधान के लिए स्ट्रिंग थ्योरी (string theory) द्वारा अस्तित्व में आने वाले संभावित ब्रह्मांडों के विशाल संग्रह की जांच करके दृष्टिकोण अपनाया है। एक ऐसे परिदृश्य (landscape) की कल्पना करें जिसमें अरबों अलग-अलग घाटियाँ हैं, जहाँ प्रत्येक घाटी भौतिक नियमों और कण द्रव्यमान के एक अलग सेट का प्रतिनिधित्व करती है। अधिकांश घाटियाँ मृत अंत (dead ends) हैं, जो ऐसे ब्रह्मांडों की ओर ले जाती हैं जो परमाणुओं या तारों का समर्थन नहीं कर सकते। शोधकर्ताओं ने उस संकीर्ण पथ पर ध्यान केंद्रित किया जहाँ एक ब्रह्मांड वास्तव में अस्तित्व में रह सकता है, जहाँ भौतिकी के नियम जटिल संरचनाओं के निर्माण की अनुमति देते हैं जो हमारे अपने जैसे हैं। उन्होंने पाया कि इस विशिष्ट, रहने योग्य क्षेत्र में, सुपरसिमेट्री के नियम एक बहुत ही विशेष आकार लेने के लिए मजबूर होते हैं। अध्ययन बताता है कि हमारे द्वारा निवास किया जाने वाला ब्रह्मांड एक आकस्मिक घटना नहीं है, बल्कि एक सांख्यिकीय दबाव का परिणाम है जो इन अदृश्य कणों के गुणों को एक विशिष्ट, प्राकृतिक विन्यास की ओर धकेलता है।
इस खोज का मूल आधार यह है कि ये अदृश्य कण हिग्स बोसोन के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। सिद्धांत के मानक संस्करण में, हिग्स बोसोन को हमारे द्वारा मापे गए 125 बिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट से बहुत हल्का होना चाहिए। इसे प्रेक्षित द्रव्यमान तक पहुँचाने के लिए, सिद्धांत को एक विशिष्ट प्रकार की परस्पर क्रिया की आवश्यकता होती, जिसे अक्सर ट्रिलिनियर टर्म (trilinear term) कहा जाता है, जिसका बहुत मजबूत होना आवश्यक है। भौतिकी के कई पुराने मॉडलों में, इन परस्पर क्रियाओं को कमजोर या गैर-मौजूद माना जाता था, जिसके लिए अदृश्य साथियों का अविश्वसनीय रूप से भारी और अप्राकृतिक होना आवश्यक होता। हालाँकि, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि यदि ये परस्पर क्रियाएं मजबूत हैं, तो वे एक साथ दो काम करती हैं। पहला, वे हिग्स बोसोन के द्रव्यमान को सही मान तक बढ़ा देती हैं। दूसरा, वे उन भारी योगदानों को रद्द कर देती हैं जो अन्यथा सिद्धांत को अस्थिर बना देते। यह रद्दीकरण (cancellation) महत्वपूर्ण है क्योंकि इसका अर्थ है कि सिद्धांत को काम करने के लिए 'फाइन-ट्यूनिंग' की आवश्यकता नहीं है; यह स्वाभाविक रूप से काम करता है।
टीम ने कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग यह पता लगाने के लिए किया कि बिग बैंग के क्षण से लेकर वर्तमान समय तक ब्रह्मांड की ऊर्जा के घटने के साथ ये परस्पर क्रियाएं कैसे बदलती हैं। उन्होंने पाया कि यदि ये परस्पर क्रियाएं बहुत मजबूत होकर शुरू होती हैं, तो वे इस तरह विकसित होती हैं कि ब्रह्मांड को स्थिर रखती हैं। लेकिन एक पेच है। यदि परस्पर क्रियाएं बहुत अधिक मजबूत हो जाती हैं, तो वे एक विनाशकारी विफलता को जन्म देती हैं जहाँ अंतरिक्ष का निर्वात (vacuum) अस्थिर हो जाता है, जिससे ब्रह्मांड का पतन हो जाता है। यह संभावनाओं के परिदृश्य में एक "खतरे के क्षेत्र" (danger zone) बनाता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि केवल वही स्थान जहाँ एक स्थिर, रहने योग्य ब्रह्मांड अस्तित्व में रह सकता है, इस खतरे के क्षेत्र के ठीक किनारे पर स्थित हैं। ब्रह्मांड सुरक्षित इसलिए नहीं है क्योंकि वह किनारे से दूर है; बल्कि वह सुरक्षित इसलिए है क्योंकि वह मुश्किल से किनारे से बच रहा है। यह अनिश्चित स्थिति ही है जो हिग्स बोसोन को उसके मापे गए द्रव्यमान के योग्य बनाती है जबकि शेष सिद्धांत को प्राकृतिक और मनमाने समायोजनों से मुक्त रखती है।
इस निष्कर्ष के गहरे निहितार्थ हैं कि हम इन अदृश्य कणों की खोज कैसे करें। वर्षों से, वैज्ञानिक उन्हें सिद्धांत के उन क्षेत्रों में खोज रहे हैं जिन्हें अब अस्तित्व में होने की संभावना कम मानी जाती है। अध्ययन संकेत देता है कि सबसे आशाजनक स्थान वे हैं जहाँ अदृश्य साथी अपेक्षाकृत हल्के होते हैं, विशेष रूप से कुछ ट्रिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट की सीमा में। शोधकर्ताओं ने पहचाना कि खोज के लिए सबसे संभावित उम्मीदवार हिग्स बोसोन से जुड़े एक विशिष्ट प्रकार के हल्के साथी और टॉप क्वार्क से जुड़े थोड़े भारी साथी हैं। ये कण केवल सैद्धांतिक संभावनाएं नहीं हैं; ये वे कण हैं जिन्हें परिदृश्य का सांख्यिकीय दबाव एक रहने योग्य ब्रह्मांड में अस्तित्व में रहने के लिए मजबूर करता है।
अध्ययन यह भी स्पष्ट करता है कि पिछली खोजएं खाली हाथ क्यों रहीं। कई शुरुआती प्रयोगों ने सिद्धांत के एक अलग संस्करण पर ध्यान केंद्रित किया था जहाँ अदृश्य साथियों को बहुत भारी और एकसमान माना गया था। शोधकर्ता तर्क देते हैं कि सिद्धांत का यह संस्करण सांख्यिकीय रूप से प्रतिकूल है क्योंकि यह अस्थिर ब्रह्मांडों की ओर ले जाता है या इसके लिए अप्राकृतिक फाइन-ट्यूनिंग की आवश्यकता होती है। तथ्य यह है कि हमने अभी तक इन भारी कणों को नहीं पाया है, यह सिद्धांत की विफलता नहीं है, बल्कि इस बात का संकेत है कि हम परिदृश्य के गलत हिस्से में देख रहे थे। सिद्धांत का सही संस्करण, जो एक प्राकृतिक और स्थिर ब्रह्मांड की अनुमति देता है, ऐसे कणों की भविष्यवाणी करता है जो अगली पीढ़ी के कण त्वरकों (particle colliders) की पहुंच के भीतर हैं।
आगे देखते हुए, शोधकर्ता भविष्य के प्रयोगों के लिए एक स्पष्ट मार्ग की रूपरेखा प्रस्तुत करते हैं। वे सुझाव देते हैं कि हाई-ल्यूमिनोसिटी लार्ज हैड्रोन कोलाइडर (High-Luminosity Large Hadron Collider), जो वर्तमान मशीन का एक उन्नत संस्करण है, इन हल्के कणों का पता लगाने में सक्षम होगा। इन कणों के हस्ताक्षर ऊर्जा और मलबे का एक विशिष्ट पैटर्न होंगे जो उनके बनने और क्षय होने के समय पीछे छूट जाते हैं। अध्ययन भविष्यवाणी करता है कि यदि ब्रह्मांड प्राकृतिकता (naturalness) के पथ का अनुसरण करता है, तो ये संकेत अगले कुछ वर्षों के भीतर दिखाई देंगे। बड़े पैमाने पर होने वाली परस्पर क्रियाएं जिन्हें परिदृश्य पसंद करता है, वे केवल एक सैद्धांतिक जिज्ञासा नहीं हैं; वे वह कुंजी हैं जो हमें अंततः इस परिदृश्य का परीक्षण करने और यह पुष्टि करने की अनुमति देगी कि क्या ब्रह्मांड वास्तव में एक विनाशकारी पतन के किनारे पर जी रहा है, जो हमारे अस्तित्व को सक्षम करने के लिए पूरी तरह से संतुलित है।
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