Shortcomings of the squark simplified model
यह शोध पत्र तर्क देता है कि आमतौर पर उपयोग किया जाने वाला स्क्वार्क सरलीकृत मॉडल (squark simplified model) हैड्रॉन कोलाइडर्स में उत्पादन दरों का काफी कम आकलन करता है, जिसका अर्थ है कि वास्तविक LHC स्क्वार्क द्रव्यमान सीमाएँ आमतौर पर उद्धृत 1.7–1.8 TeV के बजाय वास्तव में 2.6–3.0 TeV की सीमा में हैं।
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कण भौतिकी के विशाल, अदृश्य परिदृश्य में, वैज्ञानिक वास्तविकता की एक छिपी हुई परत की खोज कर रहे हैं जो वर्तमान में हम जो देख सकते हैं, उसके किनारे से ठीक परे स्थित है। यह खोज 'सुपरसिमेट्री' नामक एक सिद्धांत से प्रेरित है, जो प्रस्तावित करता है कि प्रत्येक ज्ञात कण का एक भारी, अदृश्य साथी होता है। इन काल्पनिक साथियों में स्क्वार्क (squarks), जो क्वार्क्स (प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के निर्माण खंड) के साथी हैं, और ग्लूनो (gluinos), जो ग्लूऑन्स (वे कण जो क्वार्क्स को आपस में जोड़ते हैं) के साथी हैं, शामिल हैं। दशकों से, लार्ज हैड्रोन कोलाइडर के शोधकर्ता अविश्वसनीय गति से प्रोटॉन को आपस में टकरा रहे हैं, इस उम्मीद में कि वे ऊर्जा के अवरोध को तोड़कर इन नए कणों को प्रकट कर सकें। इन टकरावों से उत्पन्न होने वाले डेटा की विशाल मात्रा को समझने के लिए, भौतिक विज्ञानी अक्सर "सरलीकृत मॉडलों" (simplified models) पर भरोसा करते हैं। ये एक जटिल मशीन के रेखाचित्रों की तरह हैं: वे जटिल विवरणों को हटा देते हैं और गणित को प्रबंधनीय बनाने के लिए केवल एक या दो हिस्सों पर ध्यान केंद्रित करते हैं। स्क्वार्क की खोज के लिए, मानक रेखाचित्र ने यह माना था कि स्क्वार्क अकेले अस्तित्व में हैं, जबकि उनके भारी साथी, ग्लूनो, इतने विशाल हैं कि वे प्रभावी रूप से अस्तित्व में ही नहीं हैं।
एक नया विश्लेषण इस लंबे समय से चले आ रहे रेखाचित्र की सटीकता को चुनौती देता है। भौतिकविदों की एक टीम का तर्क है कि यह सरलीकृत चित्र न केवल एक मोटा अनुमान है, बल्कि इस बात की मौलिक गलतफहमी है कि यदि ये कण मौजूद होते तो वे वास्तव में कैसे व्यवहार करते। उनका कार्य बताता है कि कोलाइडर डेटा की व्याख्या करने के लिए उपयोग किया जाने वाला मानक मॉडल इन कणों के उत्पादन की दर को दर्जनों, या यहाँ तक कि सैकड़ों गुना कम आंक रहा है। यह चूक यह दर्शाती है कि इन कणों के द्रव्यमान की वर्तमान सीमाएँ बहुत कम हैं। ग्लूनो के अपरिहार्य प्रभाव को शामिल करके मॉडल को सुधारते हुए, शोधकर्ताओं ने पाया है कि लार्ज हैड्रोन कोलाइडर पहले से ही 3.0 TeV तक के स्क्वार्क द्रव्यमान को खारिज कर चुका है, जो कि पहले स्वीकृत 1.8 TeV की सीमा से एक महत्वपूर्ण उछाल है। यह बदलाव नई भौतिकी की खोज को नया आकार देता है, जिससे पता चलता है कि कोलाइडर गलत कारणों से गलत जगह पर देख रहा था, और भविष्य की मशीनें इन मायावी कणों की खोज करने में पहले की तुलना में कहीं अधिक क्षमता रखेंगी।
समस्या का मूल कारण कण द्रव्यमान की स्थिरता के संबंध में एक सैद्धांतिक सिद्धांत में निहित है। सरलीकृत मॉडल में, भौतिकविदों ने माना था कि वे स्क्वार्क और ग्लूनो को पूरी तरह से स्वतंत्र संस्थाओं के रूप में मान सकते हैं, जिसमें ग्लूनो अनंत रूप से भारी है और इसलिए अप्रासंगिक है। हालांकि, इस अध्ययन के लेखक प्रदर्शित करते हैं कि सिद्धांत के किसी भी यथार्थवादी संस्करण में, दोनों कण आपस में अटूट रूप से जुड़े हुए हैं। यदि एक ग्लूनो, स्क्वार्क की तुलना में बहुत अधिक भारी होता, तो क्वांटॉन मैकेनिक्स का नियम एक गंभीर अस्थिरता पैदा करता। भारी ग्लूनो एक शक्तिशाली क्वांटम दबाव डालता जो स्क्वार्क के द्रव्यमान को अपने समान करने के लिए तेजी से ऊपर की ओर धकेलता। दूसरे शब्दों में, प्रकृति ऐसी स्थिति की अनुमति नहीं देती जहाँ ग्लूनो, स्क्वार्क की तुलना में बहुत अधिक भारी हो; दोनों द्रव्यमानों को एक-दूसरे के अपेक्षाकृत करीब रहना चाहिए। मानक सरलीकृत मॉडल, जो ग्लूनो को अनंत रूप से भारी मानता है, एक ऐसी स्थिति का वर्णन करता है जो एक यथार्थवादी ब्रह्मांड में सैद्धांतिक रूप से असंभव है।
इस सैद्धांतिक बाधा का कोलाइडर के भीतर होने वाली घटनाओं पर व्यापक प्रभाव पड़ता है। जब प्रोटॉन टकराते हैं, तो वे कई अलग-अलग मार्गों के माध्यम से स्क्वार्क का उत्पादन करते हैं। सरलीकृत मॉडल केवल उन मार्गों को गिनता है जहाँ स्क्वार्क अन्य कणों के टकराव से सीधे उत्पन्न होते हैं, और एक महत्वपूर्ण तीसरे मार्ग को अनदेखा करता है: एक आभासी (virtual) ग्लूनो का आदान-प्रदान। क्योंकि ग्लूनो अनंत रूप से भारी नहीं है, यह एक सेतु के रूप में कार्य करता है, जिससे स्क्वार्क का उत्पादन मानक सरलीकृत मॉडल की भविष्यवाणी की तुलना में बहुत अधिक आसानी से होता है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि यथार्थवादी द्रव्यमान अनुपात के लिए, जहाँ ग्लूनो स्क्वार्क से केवल दो या तीन गुना भारी है, स्क्वार्क के कुल उत्पादन की दर मानक सरलीकृत मॉडल द्वारा अनुमानित दर से साठ गुना से भी अधिक है। यह बिल्कुल वैसा ही है जैसे वैज्ञानिकों ने राजमार्ग पर कारों की संख्या केवल मुख्य सड़क को देखकर गिनी हो, जबकि उन्होंने उस विशाल, उच्च गति वाले बाईपास को पूरी तरह से अनदेखा कर दिया हो जो अधिकांश यातायात को ले जाता है।
इस गलत गणना के परिणाम तत्काल और गहरे हैं। लार्ज हैड्रोन कोलाइडर टकराव के मलबे में ऊर्जा और गायब कणों के विशिष्ट पैटर्न को देखकर स्क्वार्क के संकेतों की खोज कर रहा है। प्रयोग एक "सीमा" निर्धारित करते हैं कि यदि स्क्वार्क एक निश्चित द्रव्यमान पर मौजूद होते तो वे कितने आयोजनों (events) की अपेक्षा करते। क्योंकि सरलीकृत मॉडल बहुत कम उत्पादन दर की भविष्यवाणी करता था, प्रयोगों ने निष्कर्ष निकाला कि यदि वे बहुत अधिक आयोजन नहीं देखते हैं, तो स्क्वार्क 1.8 TeV से हल्के होने चाहिए। हालांकि, नया विश्लेषण दिखाता है कि यदि स्क्वार्क वास्तव में बहुत उच्च, यथार्थवादी दर पर उत्पादित हो रहे होते, तो प्रयोगों में उनसे कहीं अधिक आयोजन देखे जाते। इसलिए, तथ्य यह है कि उन्होंने वे आयोजन नहीं देखे, इसका अर्थ है कि स्क्वार्क पहले की तुलना में बहुत भारी होने चाहिए। लेखकों ने मौजूदा डेटा को पुनर्गठित किया और पाया कि स्क्वार्क द्रव्यमान की वर्तमान सीमा वास्तव में 2.6 और 3.0 TeV के बीच है, जो प्रभावी रूप से ज्ञात ब्रह्मांड की सीमा को बहुत आगे तक धकेल देती है।
यह सुधार भविष्य के भौतिक विज्ञान के दृष्टिकोण को भी बदल देता है। हाई-ल्यूमिनोसिटी लार्ज हैड्रोन कोलाइडर, जो आने वाले वर्षों में चलने के लिए निर्धारित एक अपग्रेड है, उससे बहुत अधिक डेटा एकत्र करने की उम्मीद है। पिछले अनुमान, जो त्रुटिपूर्ण सरलीकृत मॉडल पर आधारित थे, ने सुझाव दिया था कि यह मशीन लगभग 2.4 TeV तक के स्क्वार्क द्रव्यमान की जांच करने में सक्षम होगी। नए, अधिक सटीक मॉडल के साथ, शोधकर्ता अनुमान लगाते हैं कि वही मशीन 3.2 और 3.6 TeV के बीच द्रव्यमान तक पहुँच सकती है। भविष्य के, और भी बड़े कोलाइडरों, जैसे कि प्रस्तावित फ्यूचर सर्कुलर कोलाइडर के लिए खोज की क्षमता और भी नाटकीय है। जबकि सरलीकृत मॉडल ने लगभग 13 TeV की पहुंच का सुझाव दिया था, संशोधित विश्लेषण इंगित करता है कि ऐसी मशीन संभावित रूप से 20 TeV तक के द्रव्यमान वाले स्क्वार्क की खोज कर सकती है। सरलीकृत भविष्यवाणी और यथार्थवादी क्षमता के बीच का अंतर केवल एक मामूली त्रुटि नहीं है; यह हमारी मशीनों की उपलब्धि के बारे में हमारी समझ में एक मौलिक बदलाव का प्रतिनिधित्व करता है।
लेखकों ने यह भी जांचा कि क्या विपरीत स्थिति—यह मान लेना कि स्क्वार्क अनंत रूप से भारी हैं और ग्लूनो की खोज में उन्हें अनदेखा करना—उसी समस्या से ग्रस्त होगी। उन्होंने पाया कि ग्लूनो सरलीकृत मॉडल वास्तव में काफी सुदृढ़ है। स्क्वार्क के मामले के विपरीत, सैद्धांतिक तर्क ग्लूनो की तुलना में बहुत भारी होने के लिए स्क्वार्क को प्रतिबंधित नहीं करते हैं, और ग्लूनो उत्पादन में भारी स्क्वार्क का योगदान छोटा है और जल्दी ही समाप्त हो जाता है। इसका अर्थ है कि जबकि ग्लूनो की खोज के लिए मानक दृष्टिकोण विश्वसनीय है, स्क्वार्क की खोज के लिए मानक दृष्टिकोण भ्रामक रहा है। शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि क्षेत्र को पुराने सरलीकृत मॉडल से दूर होना चाहिए। ग्लूनो को अनंत रूप से भारी मानने के बजाय, भविष्य के विश्लेषणों को एक ऐसा मॉडल उपयोग करना चाहिए जिसमें ग्लूनो के द्रव्यमान को एक चर (variable) के रूप में शामिल किया गया हो, जो इस यथार्थवादी सीमा द्वारा नियंत्रित हो कि यह स्क्वार्क से लगभग तीन गुना अधिक भारी नहीं हो सकता है।
इस लंबे समय से चली आ रही चूक को सुधारकर, यह अध्ययन केवल एक संख्या को समायोजित नहीं करता है; यह सुपरसिमेट्री की खोज के परिदृश्य को फिर से परिभाषित करता है। यह सुझाव देता है कि लार्ज हैड्रोन कोलाइडर ने पहले से ही बहुत अधिक गहराई तक अन्वेषण कर लिया है जितना कि हमें लगा था, और अगली पीढ़ी की मशीनें खोज के लिए कहीं अधिक उज्ज्वल संभावना रखती हैं। यह सबक एक अनुस्मारक है कि उच्च-ऊर्जा भौतिकी की जटिल दुनिया में, किसी सिद्धांत को बहुत अधिक सरल बनाना कभी-कभी उन्हीं घटनाओं को छिपा सकता है जिन्हें हम खोजने का प्रयास कर रहे हैं। इन कणों की वास्तविकता सुझाए गए रेखाचित्रों की तुलना में अधिक परस्पर जुड़ी हुई है, और इस जुड़ाव को स्वीकार करना ही ब्रह्मांड के रहस्यों को खोलने की कुंजी है।
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