विद्युत-दुर्बल
एकीकरण

बीटा क्षय और दुर्बल अन्योन्यक्रिया

दुर्बल नाभिकीय बल बीटा क्षय के लिए ज़िम्मेदार है — वह प्रक्रिया जिसमें एक न्यूट्रॉन एक प्रोटॉन, एक इलेक्ट्रॉन और एक प्रतिन्यूट्रिनो में क्षयित होता है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि न्यूट्रॉन के भीतर एक डाउन-क्वार्क, W⁻ बोसॉन के माध्यम से एक अप-क्वार्क में परिवर्तित हो जाता है। दुर्बल बल ही एकमात्र ऐसा बल है जो क्वार्कों की फ्लेवर-सममिति को तोड़ता है — यानी विभिन्न क्वार्क प्रकारों को एक-दूसरे में बदल सकता है।

दुर्बल बल की परास अत्यंत छोटी है — मात्र लगभग 10⁻¹⁸ मीटर, जो एक प्रोटॉन से भी बहुत छोटी है। इसका कारण इसके वाहक बोसॉनों — W⁺, W⁻ और Z⁰ — का बड़ा द्रव्यमान है। यह द्रव्यमान हिग्स सममिति-भंजन का प्रत्यक्ष प्रमाण है। कम ऊर्जा पर दुर्बल बल इसलिए बिंदु-सदृश प्रतीत होता है — फर्मी ने 1934 में बीटा क्षय के अपने सिद्धांत में इसे इसी रूप में वर्णित किया था, बिना यह जाने कि इसके पीछे भारी बोसॉन छिपे हैं।

दुर्बल बल की एक और विशेषता यह है: यह अधिकतम पैरिटी-उल्लंघनकारी है। यह केवल वामहस्त (लेफ्ट-हैंडेड) फर्मियॉनों और दक्षिणहस्त (राइट-हैंडेड) प्रतिफर्मियॉनों से युग्मित होता है। दक्षिणहस्त क्वार्क और इलेक्ट्रॉन दुर्बल अन्योन्यक्रिया में भाग नहीं लेते। यह अधिकतम पैरिटी-उल्लंघन 20वीं सदी की कण भौतिकी के सबसे बड़े आश्चर्यों में से एक था।

W और Z बोसॉन

W और Z बोसॉन की खोज 1983 में CERN के प्रोटॉन-प्रतिप्रोटॉन कोलाइडर (SppS) में हुई थी — ठीक उन्हीं द्रव्यमानों पर जिनकी भविष्यवाणी विद्युत-दुर्बल सिद्धांत ने की थी। इसके लिए कार्लो रुबिया और साइमन वान डेर मीर को 1984 में नोबेल पुरस्कार मिला। यह सिद्धांत की भविष्यवाणी-क्षमता का एक शानदार प्रमाण था।

ग्लाशो, सलाम, वाइनबर्ग — दो से एक बल

1960 के दशक में शेल्डन ग्लाशो, अब्दुस सलाम और स्टीवन वाइनबर्ग ने स्वतंत्र रूप से एक ऐसा सिद्धांत विकसित किया जो विद्युत-चुंबकत्व और दुर्बल बल को एक साझा ढाँचे में वर्णित करता है। मूल विचार यह है: दोनों बल एक ही SU(2)×U(1) गेज सममिति की अभिव्यक्तियाँ हैं, जो बिग बैंग के समय टूट गई थी।

लगभग 100 GeV की ऊर्जा-मात्रा से ऊपर — जो आधुनिक त्वरकों में प्राप्त की जा सकती है — W और Z बोसॉन द्रव्यमान-रहित जैसा व्यवहार करते हैं और फोटॉन के तुल्य हो जाते हैं। तब विद्युत-चुंबकत्व और दुर्बल बल के बीच अंतर करना असंभव हो जाता है। निम्न ऊर्जा पर (दैनिक जीवन में) हिग्स सममिति-भंजन इस एकता को तोड़ देता है: W और Z द्रव्यमान प्राप्त करते हैं, दुर्बल बल की परास सिकुड़ जाती है, और दोनों बल पूर्णतः भिन्न प्रतीत होने लगते हैं।

न्यूट्रिनो द्रव्यमान की पहेली

मूल विद्युत-दुर्बल मानक मॉडल में न्यूट्रिनो द्रव्यमान-रहित होते हैं — वे केवल वामहस्त रूप में अस्तित्व में हैं और केवल दुर्बल बल से युग्मित होते हैं। लेकिन न्यूट्रिनो-दोलन प्रयोगों (SNO, सुपर-कामिओकांडे, नोबेल पुरस्कार 2015) ने दिखाया: न्यूट्रिनो अपने तीन फ्लेवर प्रकारों के बीच बदलते रहते हैं — यह तभी संभव है जब उनका कोई द्रव्यमान हो।

यह न्यूट्रिनो द्रव्यमान मानक मॉडल में शामिल नहीं है। यह एक विस्तार की ओर संकेत करता है — संभवतः दक्षिणहस्त "स्टेराइल" न्यूट्रिनो, जो दुर्बल बल से युग्मित नहीं होते, या तथाकथित सीसॉ-क्रियाविधि, जो बहुत छोटे न्यूट्रिनो द्रव्यमानों को किसी बहुत बड़े नए द्रव्यमान-पैमाने से समझाती है। व्यक्तिगत न्यूट्रिनो का निरपेक्ष द्रव्यमान आज तक सटीक रूप से ज्ञात नहीं है: प्रत्यक्ष मापन (KATRIN, 2025) प्रभावी इलेक्ट्रॉन-न्यूट्रिनो द्रव्यमान के लिए 0.45 eV/c² की ऊपरी सीमा निर्धारित करते हैं, जबकि ब्रह्माण्ड-सम्बन्धी अवलोकन (प्लांक, DESI) तीनों न्यूट्रिनो द्रव्यमानों के योग को कहीं अधिक कड़ाई से लगभग 0.07–0.12 eV/c² से नीचे सीमित करते हैं। दोनों ही ऊपरी सीमाएँ हैं — द्रव्यमान शून्य से अधिक हैं, यह दोलन-प्रयोगों से निकलता है, न कि किसी प्रत्यक्ष द्रव्यमान-मापन से।