हिग्स क्रियाविधि
कणों को द्रव्यमान क्यों मिलता है? हिग्स क्षेत्र संपूर्ण ब्रह्मांड में व्याप्त है — और इसके साथ अन्योन्यक्रिया के माध्यम से W और Z बोसॉन तथा क्वार्क और लेप्टॉन अपना द्रव्यमान प्राप्त करते हैं।
गेज बोसॉन को द्रव्यमान नहीं होना चाहिए — फिर भी है
विद्युत-दुर्बल सिद्धांत में बल-वाहक W⁺, W⁻ और Z⁰ गेज बोसॉन हैं — फोटॉन के समान। गणितीय कारणों से किसी एकदम सटीक गेज सिद्धांत में गेज बोसॉन को द्रव्यमान नहीं मिल सकता: लैग्रांजियन में स्पष्ट द्रव्यमान-पद गेज सममिति को नष्ट कर देंगे, और सिद्धांत पुनर्सामान्यीकरण-योग्य नहीं रह जाएगा।
समस्या यह है: प्रयोगों ने स्पष्ट रूप से दिखाया कि W और Z द्रव्यमानयुक्त कण हैं — क्रमशः लगभग 80 और 91 GeV/c² द्रव्यमान के साथ, यानी एक प्रोटॉन से लगभग 85 और 97 गुना भारी। गेज बोसॉन सिद्धांत की सममिति को नष्ट किए बिना द्रव्यमान कैसे प्राप्त कर सकते हैं? इसका उत्तर है हिग्स क्रियाविधि — एक सुरुचिपूर्ण समाधान जो सममिति को बनाए रखता है और साथ ही उसे तोड़ भी देता है।
मेक्सिकन-टोपी और निर्वात
हिग्स क्रियाविधि स्वतःस्फूर्त सममिति-भंजन की अवधारणा पर आधारित है। एक मेक्सिकन-टोपी के आकार वाले विभव की कल्पना करें: ऊर्जा-न्यूनतमों की एक वलय ऊँचे उठे हुए केंद्र को घेरे रहती है। जब कोई निकाय इस विभव में अपनी आधार-अवस्था पाता है, तो उसे वलय पर किसी एक बिंदु को चुनना ही पड़ता है — और इस प्रकार टोपी की घूर्णन-सममिति को तोड़ देता है, भले ही विभव स्वयं पूर्णतः सममित हो।
हिग्स क्षेत्र की विभव-संरचना ठीक ऐसी ही है। प्रारंभिक, गर्म ब्रह्मांड में यह क्षेत्र सममित केंद्र के इर्द-गिर्द उतार-चढ़ाव करता रहा। जैसे-जैसे ब्रह्मांड ठंडा हुआ, क्षेत्र किसी एक न्यूनतम में लुढ़क गया — इसने एक "निर्वात प्रत्याशित मान" (v ≈ 246 GeV) चुना। यह निर्वात प्रत्याशित मान कोई मनमाना निर्णय नहीं, बल्कि एक स्थिर भौतिक अवस्था है। लैग्रांज-फलन की सममिति बनी रहती है, लेकिन ब्रह्मांड की आधार-अवस्था इसे स्वतःस्फूर्त रूप से तोड़ देती है।
इसका परिणाम: W और Z बोसॉन, जो मूलतः द्रव्यमानरहित थे, टूटे हुए क्षेत्र के गोल्डस्टोन बोसॉनों को "खा" लेते हैं और इस प्रकार द्रव्यमानयुक्त हो जाते हैं। यही गोल्डस्टोन-हिग्स क्रियाविधि है: द्रव्यमानयुक्त गेज बोसॉनों की अनुदैर्ध्य स्वतंत्रता-कोटियाँ टूटे हुए हिग्स क्षेत्र से आती हैं। फोटॉन द्रव्यमानरहित रहता है, क्योंकि विद्युतगतिकी की संबंधित U(1)_em-सममिति इस भंजन से अप्रभावित रहती है।
यूकावा युग्मन — क्वार्क और लेप्टॉन को द्रव्यमान कैसे मिलता है
हिग्स क्षेत्र न केवल गेज बोसॉनों को, बल्कि क्वार्क और लेप्टॉन को भी द्रव्यमान प्रदान करता है — हालाँकि एक अलग क्रियाविधि से। तथाकथित यूकावा युग्मनों के माध्यम से फर्मियॉन हिग्स क्षेत्र के साथ अन्योन्यक्रिया करते हैं। इस युग्मन की प्रबलता फर्मियॉन के द्रव्यमान को निर्धारित करती है: एक भारी टॉप क्वार्क (≈ 173 GeV) प्रबल रूप से युग्मित होता है, जबकि एक हल्का इलेक्ट्रॉन (0.511 MeV) बमुश्किल युग्मित होता है।
यूकावा युग्मन-स्थिरांक मानक मॉडल के प्राचल हैं — वर्तमान में इन्हें केवल सिद्धांत से पूर्वानुमानित नहीं किया जा सकता, बल्कि प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित करना पड़ता है। टॉप क्वार्क का द्रव्यमान लगभग एक सोने के परमाणु जितना क्यों है, और इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान उसका दस लाखवाँ हिस्सा क्यों है, यह मानक मॉडल की अनसुलझी पहेलियों में से एक है।
| कण | द्रव्यमान | यूकावा युग्मन (सापेक्ष) |
|---|---|---|
| टॉप क्वार्क (t) | ≈ 173 GeV | ~1 |
| बॉटम क्वार्क (b) | ≈ 4.2 GeV | ~0.024 |
| टाऊ लेप्टॉन (τ) | ≈ 1.8 GeV | ~0.01 |
| स्ट्रेंज क्वार्क (s) | ≈ 95 MeV | ~0.0005 |
| इलेक्ट्रॉन (e) | ≈ 0.511 MeV | ~0.000003 |
4 जुलाई 2012 — वादे के अनुरूप एक बोसॉन
हिग्स बोसॉन हिग्स क्षेत्र का क्वांटम उद्दीपन है — ठीक वैसे ही जैसे फोटॉन विद्युतचुंबकीय क्षेत्र का उद्दीपन है। यह एकमात्र ज्ञात अदिश मूल कण है (स्पिन 0) और मानक मॉडल का अंतिम शेष घटक है। इसकी खोज 48 वर्षों की प्रायोगिक खोज-यात्रा की पराकाष्ठा थी।
तब से हिग्स बोसॉन का गहन अध्ययन किया जा रहा है। LHC विभिन्न कणों के साथ इसकी युग्मन-प्रबलताओं को मापता है — अब तक सभी मापन मानक मॉडल की भविष्यवाणियों से मेल खाते हैं। कोई विचलन मानक मॉडल से परे नई भौतिकी की ओर संकेत करेगा — और यह सक्रिय शोध का विषय है।
क्या हिग्स बोसॉन ही एकमात्र हिग्स कण है? मानक मॉडल के कई विस्तार — सुपरसिमेट्री, टू-हिग्स-डबलेट मॉडल — कई हिग्स बोसॉनों की भविष्यवाणी करते हैं। वर्तमान LHC उनकी खोज कर रहा है। इसके अलावा यह भी खुला है: हिग्स विभव का आकार क्या निर्धारित करता है, और हिग्स बोसॉन का द्रव्यमान ठीक 125 GeV ही क्यों है?