மியூவான் g -2 ஆய்வு: புதிய இயற்பியலுக்கான திறவுகோல் – ஜோசப் பிரபாகர்



கடந்த ஏப்ரல் 7ஆம் தேதி அமெரிக்காவின் பெர்மி அறிவியல் ஆய்வகம் கொண்டாட்டத்தில் ஆழ்ந்தது. பெர்மி ஆய்வகம் மட்டுமல்ல உலகம் முழுவதும் உள்ள இயற்பியல் அறிஞர்களுக்கும் அன்று ஒரு நம்பிக்கைக் கீற்று பிறந்தநாள். கிட்டத்தட்ட 20 வருடங்களுக்கு மேலாக வழிமேல் விழி வைத்து காத்திருந்து எதிர்பார்த்த ஒன்று கிடைத்துவிட்டது. அப்படி என்ன கிடைத்தது? மியூவான் என்ற அடிப்படைத்துகளின் காந்தத் திருப்புத்திறனானது எதிர்பார்த்ததை விட அதிகமாக இருக்கிறது என்று கண்டறிந்திருக்கிறார்கள். நீங்கள் கேட்கலாம் ஒரு ஆய்வில் நாம் எதிர்பார்த்த முடிவு கிடைக்கவில்லை என்றால் வருத்தப்படத்தானே செய்வார்கள். இதில் கொண்டாட என்ன இருக்கிறது என்று !.

ஆனால் இயற்பியல் வரலாற்றில் சில ஆய்வு முடிவுகள் தவறாக வருவது கூட புதிய கண்டுபிடிப்புக்கு வழிவகுக்கும். அப்படி ஒன்றுதான் இந்த மியூவான் g -2 ஆய்வு. கடந்த 50 வருடங்களாக உலகம் முழுவதும் உள்ள இயற்பியல் அறிஞர்களால் ஏற்றுகொள்ளப்பட்ட ஒன்று நிலைமாதிரிக் கொள்கை (standard model). இக்கொள்கை அணுவுக்குள் இருக்கும் அடிப்படைத்துகள்களைத் துல்லியமாக விளக்குகிறது. இந்த நிலைமாதிரிக்கொள்கை மூலமாக கணக்கிடப்பட்ட மியூயானின் காந்தத் திருப்புத்திறன் மதிப்புக்கும், மியூவான் g -2 ஆய்வில் பெறப்பட்ட காந்தத்திருப்புத்திறன் மதிப்புக்கும் கணிசமான வித்தியாசம் வந்திருக்கிறது. இதனால் நிலைமாதிரிக் கொள்கையே தற்போது ஆட்டம் காண ஆரம்பித்திருக்கிறது.

மியூவான் என்பது எலக்ட்ரானைப் போல எதிர்மின் தன்மை கொண்ட ஒரு துகள். இத்துகள் எலக்ட்ரானின் சகோதரர் போல. ஆனால் ஒரே ஒரு வித்தியாசம் மியூவான் எலக்ட்ரானை விட 207  மடங்கு அதிக நிறை கொண்டது. இந்த மியூயான் பூமிக்கு வெளியிலிருந்து வரும் காஸ்மிக் கதிர்களால் வளிமண்டலத்தில் உருவாகி பூமிக்குள் நுழைகிறது. நீங்கள் இக்கட்டுரையை வாசித்துக்கொண்டு இருக்கும் நேரத்தில் உங்கள் உடலில் பல்லாயிரக்கணக்கான மியூவான்கள் புகுந்து வெளியில் சென்று கொண்டிருக்கின்றன. நம் உடலில் எந்த விதமான விளைவுகளையும் இது ஏற்படுத்துவதில்லை. இதைத்தவிர செயற்கையாகவும் துகள் முடுக்கி ஆய்வு நிலையங்களில் உருவாக்கப்படுகிறது.

நிலைமாதிரிக் கொள்கை படி எலக்ட்ரான், மியூவான், குவார்க்குகள் போன்றவை அடிப்படைத் துகள்கள். அதாவது இவை எதனாலும் ஆக்கப்படவில்லை. இதுபோல 30 வகையான அடிப்படைத்துகள்கள் இருக்கின்றன. கீழே உள்ள அட்டவணையில் கொடுக்கப்பட்டிருக்கிறது.



குடும்பம்

அடிப்படைத்துகள்கள்

எண்ணிக்கை

குவார்க்

குவார்க்குகள்

6

எதிர்குவார்க்குகள்

6

லெப்டான்

எலக்ட்ரான், பாசிட்ரான்

2

மியுவான், மியூவானின் எதிர்த்துகள்

2

டவ்வான், டவ்வானின் எதிர்த்துகள்

2

எலக்ட்ரான் நியூட்ரினோ, மியுவான் நியூட்ரினோ, டவ்வான் நியூட்ரினோ

3

எலக்ட்ரான் எதிர் நியூட்ரினோ, மியுவான் எதிர் நியூட்ரினோ, டவ்வான் எதிர் நியூட்ரினோ

3

    போஸான்

போட்டான், குளுவான், Z0 போஸான், W+ போஸான் , W-  போஸான், ஹிக்ஸ் போசான்

6

மொத்தம்

30

புரோட்டான், நியூட்ரான் போன்றவை வெறும் துகள்கள்தான். அடிப்படை துகள்கள் அல்ல. ஏனென்றால் புரோட்டான், நியூட்ரான் ஆகியவை மூன்று குவார்க்குகளால் ஆக்கப்பட்டிருக்கின்றன.

எலக்ட்ரான், மியூவான் இரண்டு துகள்களும் அதன் குவாண்டம் பண்புகளால் உள்ளார்ந்த ஒரு கோண உந்தத்தை பெற்றிருக்கிறது. ஒரு பம்பரம் சுற்றும்போது அதற்கு ஒரு கோண உந்தம் இருக்கிறது. இதைப்போலவே எலக்ட்ரான் மற்றும் மியூவான் இரண்டும் மின்தன்மை கொண்ட ஒரு சுழலும் பம்பரம் போல நினைத்துக் கொள்ளலாம். எனவே எலக்ட்ரானும், மியுவானும் ஒரு சிறு காந்தம் போல செயல்படுகிறது. ஒவ்வொரு காந்தத்திற்கும் காந்தத்திருப்புத்திறன் என்ற பண்பு உண்டு. இதை g  என்ற எண்ணால் அளக்கிறார்கள். சாதாரணமாக ஒரு காந்தத்தை நாம் காந்தப்புலத்தில் வைக்கும்போது அது காந்தப்புலத்தின் திசையை நோக்கி ஒருங்கமைய முயலும். ஆனால் மியுவானையோ, எலக்ட்ரானையோ காந்தப் புலத்தில் வைக்கும்போது அது காந்தப்புலத்தின் திசையில் ஒருங்கமையாது. ஏனென்றால் இவ்விரண்டு துகள்களுக்கும் உள்ளார்ந்த கோண உந்தம் இருப்பதால் அதன் சுழற்சி அச்சானது காந்தப்புலத்தின் திசையில் இல்லாமல் கொஞ்சம் சாய்ந்து கொண்டு சுற்றும். நாம் சிறு வயதில் பம்பரம் விளையாடும்போது இது போல பார்த்திருப்போம். இது இயற்பியலில் precession என்று அழைக்கப்படுகிறது. கீழே உள்ள படத்தில் இது காட்டப்பட்டுள்ளது.

 

இந்த சுற்றும் வேகம் அதன் g இன் மதிப்பிற்கு ஏற்றார்போல் இருக்கும்.  மியுவானின் சுழற்சி அச்சு காந்தப்புல திசையை சுற்றும் வேகத்தை (precession rate) அளப்பது ஒரு முக்கியமான ஆய்வாக கருதப்பட்டது. ஆரம்பத்தில் எலக்ட்ரான், மியூயான் இரண்டுக்கும் g இன் மதிப்பு 2 என்று கருதப்பட்டது.

ஆனால் 1950 களில் இதன் மதிப்பு இரண்டை விட சற்று அதிகம் (2.00232) என்று பரிசோதனையில் கண்டுபிடித்தார்கள். ஏன் இந்த மிகச் சிறிய வேறுபாடு? இதற்கான காரணத்தை நிலை மாதிரிக்கொள்கை விளக்கியது. நிலைமாதிரிகொள்கையின் படி வெற்றிடம் என்ற ஒன்று இல்லை. நாம் சொல்லும் வெற்றிடத்தில் கூட நிறைய அடிப்படைத்துகள்கள் எப்பொழுதும் தோன்றி மறைந்து கொண்டிருக்கும். எனவே எலக்ட்ரானோ, மியூவானோ  வெற்றிடத்தில் செல்லும்போது கூட கணப்பொழுதில் தோன்றி மறையும் அடிப்படைத்துகள்களோடு வினைபுரிந்து மறுபடியும் உட்கவர்ந்து கொள்ளும். இவ்வினையால்தான் மியுவான் மற்றும் எலக்ட்ரான் g இன் மதிப்பு 2 இலிருந்து மிகச்சிறிய அளவில் வேறுபடுகிறது.  இந்த g ஆனது 2 இலிருந்து எவ்வளவு துல்லியமாக வேறுபடுகிறது (g-2) என்று ஆராய்ச்சியாளர்கள் ஆய்வுக்கூடத்தில் கணக்கிடத் தொடங்கினார்கள்.

முதன்முதலில் நியூயார்க் நகரிலுள்ள புருக்ஹேவன் ஆய்வகம் மியூவானை வைத்து இந்த ஆராய்ச்சியை 1990 வாக்கில் துவங்கினார்கள். இதுதான் மியூவான் g-2 ஆய்வு. இதில் ஏன் எலக்ட்ரானை விட்டு விட்டு மியூவானை தேர்ந்தெடுத்தார்கள்?  காரணம் நாம் ஏற்கெனவே பார்த்த மாதிரி மியூவான் எலக்ட்ரானை விட 207 மடங்கு அதிக நிறை கொண்டதாக இருப்பதால் அது வெற்றிடத்தில் இருக்கும் கணப்பொழுது அடிப்படைத்துகள்களை வினைபுரிந்து உட்கவரும் தன்மை எலக்ட்ரானை விட மிக அதிகமாக இருக்கும். எளிதாக அதன் காந்தத்திருப்புத்திறனை கணக்கிடலாம்.

இந்த மியூவான் g-2 ஆய்வில். 50 அடி விட்டமுள்ள 700 டன் எடை கொண்ட மீக்கடத்தும் தன்மை (super conducting) மின்காந்த வளையம் ஒன்று பயன்படுத்தப்பட்டது. இது அலுமினியம், எஃகு பொருட்களால் ஆனது.

இந்த வளைய வடிவ குழாயில் கிட்டத்தட்ட ஒளியின் வேகத்தில் மியூவானை செலுத்துவார்கள். இந்த மியூவான் 64 மைக்ரோ வினாடிகள் தான் உயிர் வாழும் அதற்குப் பிறகு அல்லது எலக்ட்ரானாக இது உருமாறி விடும். அதற்குள் அது பல ஆயிரம் தடவை இந்த மின்காந்த வளையத்தை சுற்றி வரும். 64 மைக்ரோ வினாடிகள் கழித்து வெளிவரும் எலக்ட்ரானின் ஆற்றலைப் பொறுத்து மியூவானின் g மதிப்பு கணக்கிடப்படும்.

2000 ஆம் ஆண்டு புருக்ஹேவன் ஆய்வகம் தனது முடிவை அறிவித்தது. அதன் படி g இன் மதிப்பு 2.0023318404. ஆனால் நிலைமாதிரிக் கொள்கை மூலம் கணக்கிடப்பட்ட மியூயானின் g மதிப்பு 2.0023318319.  இரண்டின் மதிப்பும் புள்ளிக்கு பிறகு ஏழு எண்கள் வரை ஒத்துப்போகிறது. ஆனால் எட்டாவது எண்ணில் இருந்து வேறுபடுகிறது. நடைமுறையில் பார்க்கும்போது இது பெரிய வித்தியாசம் இல்லையென்றாலும் அறிவியல் ஆய்வை பொருத்தவரை இது மிகப்பெரிய வித்தியாசம். ஏன் இரண்டு எண்களும் ஒத்துவரவில்லை? ஆய்வில் ஏதேனும் தவறு இருக்கிறதா? அல்லது அனைவராலும் ஏற்றுக்கொள்ளப்பட்ட நிலைமாதிரிக் கொள்கையில் தவறு இருக்கிறதா? என்ற கேள்வி அனைவராலும் எழுப்பப்பட்டது. எப்போதுமே ஒரு இயற்பியல் கொள்கையானது ஆய்வு முடிவுடன் ஒத்துவரவில்லை என்றால் அக்கொள்கை மாற்றப்பட வேண்டும். அப்படி யோசிக்கும்போது நிலைமாதிரிக் கொள்கையில் ஏதேனும் குறைபாடு இருக்குமோ என்ற சிந்தனை எழுந்தது.

நிலைமாதிரிக் கொள்கை g இன் மதிப்பை எப்படி கணக்கிடுகிறது? அதாவது நிலைமாதிரிக் கொள்கையை பயன்படுத்தி நம்மால் இதுவரை கண்டறியப்பட்ட அனைத்து அடிப்படைத்துகள்களோடும் மியூயான் வினைபுரியும் தன்மையை வைத்துத்தான் கணக்கிடப்படுகிறது. இப்படி கணக்கிடப்பட்ட மதிப்பு ஆய்வில் பெறப்பட்ட மதிப்பை விட குறைவாக வருகிறதென்றால் இது வரை கண்டுபிடிக்கப்பட்ட அடிப்படைத்துகள்களை தாண்டி இன்னும் கண்டறியாத அடிப்படைத்துகள்களோடும் மியூயான் வினைபுரிந்திருக்கவேண்டும். இத்துகள்கள் நிலைமாதிரிகொள்கையில் விடுபட்டிருக்கவேண்டும். அதனால்தான் இப்பிழை ஏற்பட்டிருக்க வேண்டும் என்ற முடிவுக்கு வந்தார்கள். ஆனால் அப்போது இதை ஒரு அறிவியல் கண்டுபிடிப்பாக இதை அறிவிக்க முடியவில்லை  காரணம் இயற்பியலில் இருக்கும் ஒரு நடைமுறை.

அதாவது ஒரு புதிய கண்டுபிடிப்பை நாம் அறிவிக்கவேண்டுமென்றால் குறைந்தபட்சம் அக்கணக்கீடு 99.9%  நம்பகத் தன்மையாக இருக்க வேண்டும். இதை இயற்பியலில் 5 சிக்மா நம்பகத்தன்மை என்பார்கள். ஆனால் புரூக்ஹேவன் ஆய்வு முடிவு 98.9 % நம்பகத்தன்மை இருந்ததால் (3.7 சிக்மா) அறிவியல் அறிஞர்கள் இன்னும் துல்லியமாக முடிவு கிடைக்குமா என்று எதிர்பார்த்தார்கள். இச்சூழலில்தான் அமெரிக்காவின் சிக்காகோ நகரிலுள்ள பெர்மி ஆய்வகம் இவ்வாராய்ச்சியை தொடங்கியது. காரணம் பெர்மி ஆய்வகம் அதிவேகக் கணிணிகளையும், அதிவேக மியூயானை உருவாக்கும் துகள் முடுக்கி வசதிகளையும் கொண்டது.

2013ஆம் ஆண்டு இந்த 700 டன் எடை கொண்ட மின்காந்த வளையத்தை புரூக்ஹேவன் ஆய்வு நிலையத்திலிருந்து சிக்காகோ நகரிலுள்ள பெர்மி ஆய்வகத்திற்கு கடல் மார்க்கமாகவும் தரை மார்க்கமாகவும் கிட்டத்தட்ட 3000 மைல் தூரம் மிகக்கவனமாக எடுத்து வந்து பொருத்தினார்கள்.

மின்காந்தம் சிக்காகோ நகரம் வந்தடையும் போது நூற்றுக்கணக்கான மக்கள் கூடி அதை வரவேற்கும் காட்சி.

ஏழு நாடுகளை சேர்ந்த கிட்டத்தட்ட 35 அறிவியல் ஆராய்ச்சி நிறுவனங்கள் பெர்மி ஆய்வகத்தோடு இணைந்து இந்த g-2 ஆய்வில் ஈடுபட்டு வந்தன.

கடைசியில் இவ்வருடம் ஏப்ரல் 7ஆம் தேதி இவ்வாய்வின் முடிவை உலகுக்கு அறிவித்தார்கள். பெர்மி ஆய்வகம் கணக்கிட்ட g இன் மதிப்பு 2.00233183908. கிட்டத்தட்ட புருக்ஹேவன் கணக்கிட்ட g இன் மதிப்புக்கு பக்கத்தில் இருக்கிறது. இதன் நம்பகத்தன்மை 99.7 % ஆகும். அதாவது  4.2 சிக்மா. கூடிய சீக்கிரம் 5 சிக்மா நம்பகத்தன்மையையும் எட்டிவிடுவார்கள்.

இந்தியாவில் மியுவான் குறித்த ஆராய்ச்சி பல பத்தாண்டுகளாகவே நடந்து வருகிறது. கொடைக்கானலில் உள்ள காஸ்மிக் கதிர் ஆய்வகம் கிட்டத்தட்ட 50 ஆண்டுகளாகவே இவ்வாராய்ச்சியில் ஈடுபட்டுவருகிறது. அது மட்டுமல்லாமல் மதுரையில் காமராஜர் பல்கலைக்கழகத்தின் அருகில் உள்ள உயர் ஆற்றல் இயற்பியல் ஆராய்ச்சி நிலையத்தில் (Inter institution center for high energy physics- IICHEP)  மியுவான் உணர் கருவி உள்ளது. இது வளிமண்டலத்திருந்து  வரும் மியுவான்களை எளிதாக கண்டறியும் தன்மை வாய்ந்தது. இந்த உணர்கருவி மூலம் மியுவான் சென்ற பாதையைக் கண்ணால் பார்க்கலாம். ஆர்வம் உள்ள மாணவர்கள் அங்கு சென்று மியுவான் குறித்த அறிவை மேலும் வளர்த்துக் கொள்ளலாம்.

பெர்மி ஆய்வக அறிஞர்கள் தற்போதைய முடிவை உலகுக்கு அறிவிக்கும் முன்பு கிட்டத்தட்ட 5 லட்சம் தடவைக்கு மேல் திரும்ப திரும்ப கணக்கிட்டு சரிபார்த்துள்ளார்கள். இந்த ஆய்வு முடிவானது நிலை மாதிரி கொள்கையைத் தாண்டி வேறு ஏதோ இன்னமும் துல்லியமான இயற்பியல் கொள்கையை நாம் உருவாக்க வேண்டிய தேவை இருப்பதை உணர்த்துகிறது. இன்னமும் கண்டுபிடிக்கப்படாத அடிப்படைத்துகள்கள் இபபிரபஞ்சத்தில்இருக்கின்றன என்ற சாத்தியக்கூறை அதிகப்படுத்தியிருக்கிறது. அப்படி என்றால் இயற்பியலானது இன்னொரு பாய்ச்சலுக்கு தயாராகிகொண்டிருக்கிறது என்று பொருள். ஆம். பிரபஞ்சத்தின் அறியப்படாத புதிய பரிமாணத்தை அறிந்து கொள்ள அறிவியல் உலகம் அடுத்த கட்ட பயணத்தை ஆரம்பித்து விட்டது.

 

ஜோசப் பிரபாகர், 

இயற்பியல் உதவிப் பேராசிரியர், லயோலா கல்லூரி

Image

உலக புத்தக தினத்தையொட்டி பாரதி புத்தகாலயம், புதிய கோணம், இளையோர் இலக்கியம் மற்றும் புக்ஸ் ஃபார் சில்ரன் வெளியிட்டுள்ள அனைத்து நூல்களுக்கு 25% சிறப்புக் கழிவு உண்டு. (23.04.2021 – 05.05.2021 வரை மட்டும்)