मूल कण

तुम जो कुछ भी देखते हो, छूते हो और स्वयं जिससे बने हो — हर पत्थर, हर पौधा, हर विचार — सब बहुत छोटे निर्माण-खंडों से बने हैं। इन्हें मूल कण (elementary particles) कहा जाता है। ये इतने सूक्ष्म हैं कि एक गिलास पानी में इनकी संख्या धरती के रेत-कणों से भी कहीं ज़्यादा होती है। इस पृष्ठ पर तुम जानोगे कि कौन-कौन से कण मौजूद हैं, वे आपस में कैसे जुड़े हैं, और वे आधुनिक भौतिकी की नींव क्यों बनते हैं।

अवलोकन

तीन परिवार — एक जगत

आज की भौतिकी ठीक 17 भिन्न मूल कणों को जानती है — यानी ऐसे कण जिन्हें वर्तमान ज्ञान के अनुसार आगे विभाजित नहीं किया जा सकता। इन्हें तीन बड़े समूहों में बांटा जा सकता है: Quarks पदार्थ का निर्माण करते हैं, लेप्टॉन स्वतंत्र पदार्थ-कण हैं, और बोसॉन बलों को संचारित करते हैं।

⬡
Quarks
प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के निर्माण-खंड। ये हमेशा समूहों में पाए जाते हैं — कभी अकेले नहीं।
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लेप्टॉन
इनमें इलेक्ट्रॉन और न्यूट्रिनो शामिल हैं। इन पर प्रबल नाभिकीय बल का कोई प्रभाव नहीं पड़ता।
≋
बोसॉन
बल-कण, जो पदार्थ-कणों के बीच अंतःक्रियाओं को संचारित करते हैं — जैसे फ़ोटॉन।
मानक मॉडल

कणों की सारणी

जैसे रसायन विज्ञान में तत्वों की आवर्त सारणी है, वैसे ही भौतिकी में सभी ज्ञात मूल कणों का एक अवलोकन मौजूद है — मानक मॉडल (Standard Model)। यह विज्ञान द्वारा अब तक विकसित सबसे सटीक और सफल सिद्धांतों में से एक है। कणों को तीन पीढ़ियों में व्यवस्थित किया गया है: हर उच्चतर पीढ़ी पिछली की तुलना में भारी और अल्पकालिक होती है।

प्रथम पीढ़ी द्वितीय पीढ़ी तृतीय पीढ़ी बोसॉन
Quarks ↑
u
Up
+⅔
2.3 MeV
c
Charm
+⅔
1.27 GeV
t
Top
+⅔
173 GeV
γ
फ़ोटॉन
0
0
g
ग्लूऑन
0
0
Quarks ↓
d
Down
−⅓
4.8 MeV
s
Strange
−⅓
95 MeV
b
Bottom
−⅓
4.18 GeV
लेप्टॉन
e⁻
इलेक्ट्रॉन
−1
0.511 MeV
μ
म्यूऑन
−1
105.7 MeV
τ
टाऊ
−1
1.777 GeV
W
W-बोसॉन
±1
80.4 GeV
H
Higgs
0
125 GeV
न्यूट्रिनो
νₑ
e-न्यूट्रिनो
0
≈ 0
νμ
μ-न्यूट्रिनो
0
≈ 0
ντ
τ-न्यूट्रिनो
0
≈ 0
Z
Z-बोसॉन
0
91.2 GeV
निर्माण-खंड 1

Quarks — पदार्थ की गहनतम परत

Quarks 6 प्रकार · Spin ½ · रंग-आवेश
u Up d Down c Charm s Strange t Top b Bottom

Quarks पदार्थ के सबसे छोटे ज्ञात निर्माण-खंड हैं — लेकिन ये कभी अकेले सामने नहीं आते। ये हमेशा बंधे हुए समूहों में रहते हैं: दो या तीन Quarks मिलकर तथाकथित हैड्रॉन बनाते हैं। इनमें सबसे प्रसिद्ध प्रोटॉन और न्यूट्रॉन हैं, जो हर परमाणु-नाभिक के निर्माण-खंड हैं। एक प्रोटॉन दो Up-quarks और एक Down-quark से बना है, जबकि एक न्यूट्रॉन एक Up-quark और दो Down-quarks से बना है।

Quarks के छह अलग-अलग प्रकार होते हैं, जिन्हें भौतिक विज्ञानी "flavors" कहते हैं: Up, Down, Charm, Strange, Top और Bottom। ये नाम केवल पहचान के लिए हैं — स्वाभाविक रूप से Quarks का कोई स्वाद नहीं होता। लेकिन इनमें एक खास गुण ज़रूर होता है जिसे रंग-आवेश (color charge) कहा जाता है, जो प्रबल नाभिकीय बल को संचारित करता है। हर Quark तीन "रंगों" में से एक धारण करता है — लाल, हरा या नीला। जब इन्हें इस तरह मिलाया जाता है कि वे "रंगहीन" हो जाएं, तो एक स्थिर कण बनता है।

दूसरी और तीसरी पीढ़ी के Quarks — Charm/Strange और Top/Bottom — पहली पीढ़ी की तुलना में कहीं अधिक भारी हैं। Top-quark का द्रव्यमान लगभग एक पूरे सोने के परमाणु जितना है, हालांकि यह एक बिंदु-सदृश मूल कण है। ये भारी Quarks केवल कण-त्वरकों में होने वाली अत्यंत ऊर्जावान टक्करों में बनते हैं और लगभग तुरंत ही पहली पीढ़ी के हल्के कणों में क्षय हो जाते हैं।

निर्माण-खंड 2

लेप्टॉन — स्वतंत्र आत्माएं

लेप्टॉन 6 प्रकार · Spin ½ · कोई रंग-आवेश नहीं
e⁻ इलेक्ट्रॉन μ म्यूऑन τ टाऊ νₑ e-न्यूट्रिनो νμ μ-न्यूट्रिनो ντ τ-न्यूट्रिनो

लेप्टॉन ऐसे पदार्थ-कण हैं जो Quarks के विपरीत किसी confinement के अधीन नहीं होते — ये प्रकृति में स्वतंत्र रूप से मौजूद रह सकते हैं। सबसे प्रसिद्ध लेप्टॉन इलेक्ट्रॉन है, जो सभी परमाणुओं का बाहरी आवरण बनाता है और रासायनिक बंधों के लिए ज़िम्मेदार है। इलेक्ट्रॉनों के बिना न कोई अणु होता, न कोई रसायन विज्ञान, न कोई जीवन। इलेक्ट्रॉन सौ से अधिक वर्षों से ज्ञात है और यह विज्ञान द्वारा खोजे गए पहले मूल कणों में से एक था।

इलेक्ट्रॉन के अलावा दो और आवेशित लेप्टॉन हैं: म्यूऑन (μ) और टाऊ (τ)। ये बिल्कुल इलेक्ट्रॉन की तरह व्यवहार करते हैं, पर कहीं अधिक भारी हैं: म्यूऑन लगभग 207 गुना भारी है, जबकि टाऊ लगभग 3,477 गुना भारी है। प्रकृति ने इलेक्ट्रॉन की ये भारी प्रतिकृतियां क्यों बनाईं, यह आज भी भौतिकी की एक बड़ी पहेली है। दोनों कण अस्थिर हैं और बेहद कम समय में क्षय हो जाते हैं।

तीनों न्यूट्रिनो विशेष रूप से रोचक कण हैं: कोई विद्युत आवेश नहीं, कोई रंग-आवेश नहीं, और द्रव्यमान इतना कम कि भौतिक विज्ञानी दशकों तक यही मानते रहे कि इनका कोई द्रव्यमान ही नहीं है। हर पल तुम्हारे शरीर से अरबों न्यूट्रिनो गुज़रते हैं — सूर्य से या दूर स्थित सुपरनोवा से — बिना किसी निशान के। ये अब तक ज्ञात सबसे मायावी कण हैं।

निर्माण-खंड 3

बोसॉन — बलों के दूत

गेज बोसॉन + Higgs 5 प्रकार · Spin 1 (Higgs: Spin 0)
γ फ़ोटॉन g ग्लूऑन W± W-बोसॉन Z Z-बोसॉन H Higgs

पदार्थ-कणों के अलावा एक दूसरा वर्ग भी है: बल-कण, यानी बोसॉन। ये पदार्थ-कणों के बीच मध्यस्थ हैं — वे दूत, जो एक कण से दूसरे कण तक बल पहुंचाते हैं। फ़ोटॉन विद्युतचुंबकीय बल का बोसॉन है: जब भी प्रकाश चमकता है, कोई चुंबक खींचता है या बिजली कड़कती है, फ़ोटॉन ही इसमें शामिल होते हैं। फ़ोटॉन द्रव्यमानहीन है और हमेशा प्रकाश की गति से चलता है।

ग्लूऑन प्रबल नाभिकीय बल को संचारित करता है — वह बल जो प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के भीतर Quarks को आपस में बांधे रखता है। इसका नाम अंग्रेज़ी शब्द "glue" (चिपकाने वाला पदार्थ) से आया है। यह बल कम दूरी पर चारों मूल बलों में सबसे शक्तिशाली है — इतना शक्तिशाली कि यह परमाणु-नाभिक में धनावेशित प्रोटॉनों के परस्पर प्रतिकर्षण को भी परास्त कर देता है। ग्लूऑन के बिना कोई स्थिर परमाणु-नाभिक संभव ही नहीं होता।

W- और Z-बोसॉन दुर्बल नाभिकीय बल को संचारित करते हैं, जो रेडियोधर्मी क्षय के लिए ज़िम्मेदार है। Higgs बोसॉन की भूमिका खास है: यह Higgs क्षेत्र का क्वांटम है, जो बाकी कणों को उनका द्रव्यमान प्रदान करता है। 2012 में CERN, जिनेवा में इसकी खोज एक ऐतिहासिक उपलब्धि थी — दशकों की खोज के बाद। यह अब तक ज्ञात एकमात्र मूल Spin-0 कण है।

अवधारणा

फर्मियॉन और बोसॉन — दो अलग जगत

सभी 17 मूल कणों को उनके spin के अनुसार दो बुनियादी रूप से भिन्न वर्गों में बांटा जा सकता है। फर्मियॉन अर्ध-पूर्णांक spin (½) रखते हैं — इनमें सभी Quarks और लेप्टॉन शामिल हैं। ये पाउली सिद्धांत (Pauli exclusion principle) का पालन करते हैं: दो फर्मियॉन एक ही समय में एक ही क्वांटम अवस्था में नहीं रह सकते। यही कारण है कि परमाणु स्थिर होते हैं — इलेक्ट्रॉन सबसे निचली ऊर्जा-अवस्था में एक साथ ढेर नहीं होते, बल्कि अलग-अलग ऑर्बिटल में बसते हैं, जिससे रासायनिक तत्वों की विविधता संभव हो पाती है।

इसके विपरीत बोसॉन का spin पूर्णांक (0, 1) होता है और वे पाउली सिद्धांत के अधीन नहीं होते। असीमित संख्या में बोसॉन एक ही अवस्था में रह सकते हैं — यही लेज़र (एक ही अवस्था में मौजूद अनगिनत फ़ोटॉन), अतिचालकता (superconductivity) और बोस-आइंस्टीन संघनन जैसे पदार्थ की सबसे विचित्र अवस्थाओं में से एक का आधार है। यह भेद सापेक्षता सिद्धांत और क्वांटम यांत्रिकी के मेल से सीधे निकलता है — यह कोई मनमाना नियम नहीं, बल्कि एक गहन गणितीय अनिवार्यता है।

दर्पण जगत

प्रतिपदार्थ — प्रतिबिंब की दुनिया

हर मूल कण का एक प्रतिकण होता है, जिसका आवेश विपरीत होता है लेकिन द्रव्यमान समान रहता है। इलेक्ट्रॉन का प्रतिकण पॉज़िट्रॉन है, और प्रोटॉन का प्रतिकण एंटीप्रोटॉन। बिग बैंग के समय पदार्थ और प्रतिपदार्थ लगभग बराबर मात्रा में बने — फिर भी आज का ब्रह्मांड लगभग पूरी तरह सामान्य पदार्थ से बना है। यह न्यूनतम असंतुलन क्यों उत्पन्न हुआ, जिसने पूर्ण परस्पर विनाश को रोक दिया, यह भौतिकी के सबसे गहरे अनसुलझे प्रश्नों में से एक है।

जब पदार्थ प्रतिपदार्थ से टकराता है, तो दोनों एक-दूसरे को पूरी तरह नष्ट कर देते हैं — उनका पूरा द्रव्यमान शुद्ध ऊर्जा में बदल जाता है (E = mc²)। इस प्रक्रिया को विलोपन (annihilation) कहते हैं। चिकित्सा क्षेत्र में इस प्रभाव का पहले से ही उपयोग होता है: पॉज़िट्रॉन-उत्सर्जन टोमोग्राफी (PET) में पॉज़िट्रॉन का इस्तेमाल किया जाता है, जो शरीर के भीतर इलेक्ट्रॉनों के साथ विलोपित होकर गामा किरणें उत्पन्न करते हैं, जिनसे चयापचय (metabolism) की सटीक 3D तस्वीर मिलती है।

संरचना

तीन पीढ़ियां — आखिर क्यों?

मानक मॉडल के कणों को तीन पीढ़ियों में व्यवस्थित किया गया है। पहली पीढ़ी — इलेक्ट्रॉन, इलेक्ट्रॉन-न्यूट्रिनो, Up-quark और Down-quark — स्थिर रोज़मर्रा के पदार्थ का निर्माण करती है। ब्रह्मांड के सभी परमाणु इन्हीं चार कणों से बने हैं। दूसरी और तीसरी पीढ़ी भारी और अस्थिर हैं: ये कण-त्वरकों में या कॉस्मिक किरणों के ज़रिए बनते हैं और बेहद कम समय में पहली पीढ़ी के हल्के कणों में क्षय हो जाते हैं।

प्रकृति ने ठीक यही त्रिगुणित संरचना क्यों चुनी, यह कोई नहीं जानता। सैद्धांतिक रूप से चार या पांच पीढ़ियां भी हो सकती थीं। लेकिन CERN में हुए सटीक मापों से पता चला है कि हल्के न्यूट्रिनो की ठीक तीन ही किस्में हैं — जो पूर्ण पीढ़ियों की संख्या को तीन तक सीमित करता है। यह तथ्य मानक मॉडल में पूरी तरह समाहित है, पर आज तक वास्तव में समझाया नहीं जा सका है। यह उन कई संकेतों में से एक है जो दर्शाते हैं कि मानक मॉडल तमाम सफलताओं के बावजूद अभी अंतिम शब्द नहीं है।

गहनतम स्तर?

क्या ये सचमुच सबसे छोटे निर्माण-खंड हैं?

"मूल" (elementary) शब्द का अर्थ है: आगे विभाज्य नहीं। विज्ञान की वर्तमान समझ के अनुसार मानक मॉडल के 17 कणों को बिंदु-सदृश माना जाता है — इनका कोई मापने-योग्य आकार नहीं है। फिर भी भौतिकी का इतिहास दिखाता है कि प्रतीत होने वाले मूलभूत कण बार-बार संयुक्त (composite) साबित हुए हैं: कभी परमाणु अविभाज्य माने जाते थे, फिर इलेक्ट्रॉन और परमाणु-नाभिक सामने आए, फिर प्रोटॉन और न्यूट्रॉन, फिर Quarks। कई भौतिक विज्ञानियों को संदेह है कि इससे भी गहरी एक परत मौजूद हो सकती है।

अनसुलझे प्रश्न

मानक मॉडल शानदार है — और फिर भी अधूरा है। यह क्वांटम स्तर पर गुरुत्वाकर्षण की व्याख्या नहीं करता, डार्क मैटर (ब्रह्मांड का लगभग 27%) के बारे में कोई जानकारी नहीं देता, और यह नहीं बताता कि कणों की ठीक तीन ही पीढ़ियां क्यों हैं। एक अधिक व्यापक सिद्धांत की खोज ही 21वीं सदी की भौतिकी की सबसे बड़ी परियोजना है।

→ मानक मॉडल की ओर चार मूल बल सभी विषय