Did the Gran Sasso Experiment Rule Out the Diósi-Penrose Theory? Musing on the 2021 Result and the Present Experimental Status

इटली के एपिनेन्स (Apennines) की शांत चट्टानों के भीतर, सतह की दुनिया के शोर से बहुत नीचे, वैज्ञानिक लंबे समय से उस फुसफुसाहट को सुनने की कोशिश कर रहे हैं जो हमारी वास्तविकता की समझ को बदल सकती है। यह फुसफुसाहट एक मौलिक प्रश्न से संबंधित है: क्यों क्वांटम दुनिया के अजीब, धुंधले नियम—जो परमाणुओं और प्रकाश को नियंत्रित करते हैं—रोजमर्रा की ठोस और अनुमानित दुनिया के नियमों के सामने घुटने टेक देते हैं? दशकों तक, एक प्रमुख विचार ने सुझाव दिया कि गुरुत्वाकर्षण स्वयं वह बल हो सकता है जो क्वांटम दुनिया को एक एकल अवस्था को "चुनने" के लिए मजबूर करता है, जिससे धुंधली संभावनाओं को उस निश्चित वास्तविकता में बदल दिया जाता है जिसे हम देखते हैं। डियोसी-पेनरोस (Diósi-Penrose) सिद्धांत के रूप में ज्ञात यह अवधारणा प्रस्तावित करती है कि जब कोई वस्तु पर्याप्त बड़ी हो जाती है, तो उसका अपना गुरुत्वाकर्षण खिंचाव उसे एक ही समय में दो स्थानों पर अस्तित्व में रहने के लिए असंभव बना देता है। यदि यह सिद्धांत सही है, तो इस पतन (collapse) की प्रक्रिया शांत नहीं होनी चाहिए; इसे एक मंद, स्वतःस्फूर्त विकिरण (radiation) उत्पन्न करना चाहिए, यानी ऊर्जा का एक छोटा सा विस्फोट जो तब निकलता है जब ब्रह्मांड एक क्वांटम सुपरपोजिशन को व्यवस्थित करता है। इस विकिरण का पता लगाना एक ऐतिहासिक खोज होगी, जो यह सिद्ध करेगी कि गुरुत्वाकर्षण सीधे तौर पर वेव फंक्शन (wave function) के पतन में भूमिका निभाता है। हालांकि, यदि विकिरण अनुपस्थित है, तो इसका अर्थ है कि यह सिद्धांत, अपने सरलतम रूप में, प्रकृति का वर्णन नहीं करता है।

2021 में, ग्रां सासो नेशनल लेबोरेटरी (Gran Sasso National Laboratory) के शोधकर्ताओं के एक दल ने इस विकिरण को खोजने के उद्देश्य से कार्य शुरू किया। उन्होंने एक उच्च-शुद्धता वाले जर्मेनियम डिटेक्टर को जमीन के काफी नीचे स्थापित किया, ताकि इसे कॉस्मिक किरणों और अन्य पृष्ठभूमि के शोर से बचाया जा सके और एक अत्यंत शांत सुनने योग्य स्थान बनाया जा सके। उनका लक्ष्य मानक डियोसी-पेनरोस मॉडल द्वारा अनुमानित विशिष्ट संकेत को पकड़ना था। यह मॉडल धारणाओं के एक विशिष्ट सेट पर आधारित है: कि पतन यादृच्छिक (random) और निरंतर होता है, जैसे कि व्हाइट नॉइज़ (white noise) की एक स्थिर धारा, और इसमें शामिल द्रव्यमान का "रेज़ोल्यूशन" (resolution)—वह सबसे छोटी दूरी जिस पर सिद्धांत दो बिंदुओं के बीच अंतर कर सकता है—डिटेक्टर के भीतर परमाणु नाभिकों की प्राकृतिक क्वांटम थरथराहट (jitter) द्वारा निर्धारित होता है। यदि विचारों का यह विशिष्ट संयोजन सत्य होता, तो डिटेक्टर को विकिरण का एक स्पष्ट अतिरिक्त हिस्सा देखना चाहिए था। इसके बजाय, प्रयोग में कुछ भी नहीं मिला। डेटा ने अनुमानित संकेत का कोई संकेत नहीं दिखाया, जिससे शोधकर्ताओं ने यह निष्कर्ष निकाला कि इस विशेष, पैरामीटर-मुक्त संस्करण वाला सिद्धांत गलत है। जर्मेनियम के साथ इस सिद्धांत के काम करने के तरीके के लिए स्वाभाविक, बिना किसी समायोजन वाले अनुमान को बड़े अंतर से खारिज कर दिया गया।

कहानी वहीं समाप्त नहीं हुई। ग्रां सासो के परिणाम के बाद के वर्षों में, अन्य प्रयोगों ने इस खोज में शामिल होकर अधिक संवेदनशील उपकरण और अधिक मात्रा में सामग्री का उपयोग किया। माजोरा डेमोंस्ट्रेटर (Majorana Demonstrator), जिसने समृद्ध जर्मेनियम का उपयोग किया, और बाद में ज़ेनॉन (XENONnT) डार्क मैटर डिटेक्टर ने, जिसने लिक्विड ज़ेनॉन का उपयोग किया, और भी अधिक सटीकता के साथ इस खोज को दोहराया। इन नए प्रयोगों ने पिछले निष्कर्षों की पुष्टि की और सीमाओं को और आगे बढ़ाया। उन्होंने स्थापित किया कि यदि इस प्रकार का गुरुत्वाकर्षण-प्रेरित पतन मौजूद है, तो "रेज़ोल्यूशन" पैरामीटर परमाणु नाभिक के प्राकृतिक आकार से बहुत बड़ा होना चाहिए। विशेष रूप से, XENONnT प्रयोग ने एक नया मानक स्थापित किया, जो यह दर्शाता है कि 95 प्रतिशत विश्वास स्तर पर कटऑफ 4.5 × 10⁻¹⁰ मीटर से अधिक होना चाहिए। इसका अर्थ है कि सिद्धांत, अपने मानक रूप में, पहले की तुलना में बहुत संकीसर संभावनाओं के दायरे में सिमट गया है। प्रयोगों ने प्रभावी रूप से इस विचार के द्वार बंद कर दिए हैं कि पतन ठीक उसी तरह होता है जैसा कि सिद्धांत के सबसे सरल संस्करण ने भविष्यवाणी की थी, जहाँ रेज़ोल्यूशन केवल नाभिकों के प्राकृतिक फैलाव के बराबर था।

हालांकि, इस शोध पत्र के लेखक स्पष्ट रूप से यह स्पष्ट करने में सावधानी बरतते हैं कि वास्तव में किसे खारिज किया गया है और क्या संभव बना हुआ है। वे इस बात पर जोर देते हैं कि प्रयोगों ने गुरुत्वाकर्षण-संबंधी पतन की पूरी अवधारणा को गलत साबित नहीं किया, न ही उन्होंने इस सामान्य विचार को गलत साबित किया कि गुरुत्वाकर्षण वेव फंक्शन को पतन की ओर ले जाता है। जिसे खारिज किया गया था वह एक विशिष्ट, सुरुचिपूर्ण पैकेज था: एक मानक, यादृच्छिक शोर मॉडल के साथ द्रव्यमान के एक विशिष्ट, प्राकृतिक माप का संयोजन। सिद्धांत अभी भी सही हो सकता है यदि पतन को संचालित करने वाला "शोर" अलग हो—शायद यह केवल एक स्थिर व्हाइट नॉइज़ नहीं बल्कि एक अधिक जटिल, 'कलर्ड नॉइज़' (colored noise) है जो समय के साथ बदलता है, या यदि द्रव्यमान का रेज़ोल्यूशन नाभिकों की प्राकृतिक थरथराहट द्वारा नहीं, बल्कि किसी अन्य, बड़े पैमाने द्वारा निर्धारित होता है। प्रयोगों ने पतन में गुरुत्वाकर्षण की भूमिका के लिए कोई सार्वभौमिक "ना" नहीं पाया है; बल्कि, उन्होंने नियमों को लिखने के एक विशिष्ट तरीके के लिए एक बहुत ही सटीक "ना" प्रदान किया है।

यह अंतर इस क्षेत्र के भविष्य के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है। वैज्ञानिक समुदाय अब जानता है कि डियोसी-पेनरोस मॉडल का सबसे सरल, सबसे स्वाभाविक संस्करण वास्तविकता से मेल नहीं खाता। आगे का मार्ग सिद्धांतकारों को अपने विचारों को परिष्कृत करने की आवश्यकता बताता है, शायद इस बात को समायोजित करके कि शोर कैसे व्यवहार करता है, या सूक्ष्म दूरियों पर द्रव्यमान को कैसे समझा जाए, इस पर पुनर्विचार करके। इन प्रयोगों ने इस रहस्य को हल नहीं किया है कि क्वांटम दुनिया शास्त्रीय दुनिया में कैसे बदल जाती है, लेकिन उन्होंने समाधान के एक प्रमुख दावेदार को हटा दिया है। व्यवहार्य सिद्धांतों के दायरे को कम करके, इन गहरे भूमिगत खोजों ने एक अधिक सटीक संवाद को प्रेरित किया है। डिटेक्टरों की चुप्पी विफलता नहीं है; यह एक स्पष्ट संदेश है कि प्रकृति सरल समीकरणों की तुलना में अधिक जटिल है, जो वैज्ञानिकों को उस मौलिक बल की अधिक सटीक समझ की ओर निर्देशित कर रही है जो हमारी वास्तविकता को आकार देता है।