ഡാർക്ക് ഫോട്ടോണും മൗലിക ബലങ്ങളും

15

Sabu Jose

ഡാർക്ക് ഫോട്ടോണും മൗലിക ബലങ്ങളും
(Dark photons and Fundamental forces)

പ്രപഞ്ചത്തിലെ അടിസ്ഥാന ബലങ്ങൾ നാലല്ല, അഞ്ചാണെന്ന് ഒരു സംഘം ശാസ്ത്രജ്ഞർ സംശയിക്കുന്നു. ഗുരുത്വാകർഷണം, വിദ്യുത്കാന്തികത, ശക്ത-ക്ഷീണ ന്യൂക്ലിയര് ബലങ്ങൾ എന്നീ നാല് അടിസ്ഥാനബലങ്ങളെക്കുറിച്ച് നമുക്കറിയാം. ഹംഗറിയിലെ ശാസ്ത്രജ്ഞരാണ് അഞ്ചാമതൊരു ബലത്തിന്റെ സാന്നിധ്യം ചൂണ്ടിക്കാണിക്കുന്നത്. ഗവേഷണ റിപ്പോര്ട്ട് നേച്ചർ സയൻസ് ജേണലിൽ പ്രസിദ്ധീകരിച്ചിട്ടുണ്ട്. ശാസ്ത്രജ്ഞരുടെ കണ്ടുപിടുത്തം അംഗീകരിക്കപ്പെട്ടാൽ അത് ഭൗതികശാസ്ത്രത്തിൽ പുതിയൊരു വിപ്ലവത്തിനു നാന്ദികുറിക്കും. പ്രപഞ്ചത്തേക്കുറിച്ചുള്ള നമ്മുടെ ധാരണകൾക്ക് കൂടുതൽ തെളിച്ചമുണ്ടാവുകയും ചെയ്യും.
2015 ലാണ് ശാസ്ത്രജ്ഞർക്ക് പുതിയൊരു ബലത്തിന്റെ സാന്നിധ്യം കണ്ടെത്താനായത്. ഹംഗേറിയൻ ആക്കാദമി ഓഫ് സയൻസിലെ ശാസ്ത്രജ്ഞരുടെ സംഘം ലിഥിയം -7 അണുകേന്ദ്രത്തിലേക്ക് പ്രോട്ടോൺ പുഞ്ജത്തെ 17 മെഗാ ഇലക്ട്രോൺ വോൾട്ട് ഊർജ നിലയിൽ പ്രകാശവേഗതയുടെ തൊട്ടടുത്ത് പായിച്ച് കൂട്ടിയിടിപ്പിച്ചപ്പോൾ ഉണ്ടായ കണികകളിൽ ഭാരം കുറഞ്ഞ ബോസോണിന്റെ (ബലവാഹിയായ കണമാണ് ബോസോൺ) സാന്നിധ്യം തിരിച്ചറിഞ്ഞു. ഒരു ഇലക്ട്രോണിന്റെ പിണ്ഡത്തിന്റെ 34 മടങ്ങ് പിണ്ഡമുള്ള ഈ ബോസോൺ പുതിയൊരു മൗലിക ബലത്തിന്റെ സൂചനയാണ് നല്കുന്നത്. അമേരിക്കയിൽ നിന്നുള്ള ശാസ്ത്രജ്ഞരുടെ സംഘം ഹംഗേറിയന് ശാസ്ത്രജ്ഞരുടെ കണ്ടെത്തലുകൾ വിശദമായി അപഗ്രഥിക്കുകയും പരീക്ഷണ ഫലത്തിൽ തൃപ്തി രേഖപ്പെടുത്തുകയും ചെയ്തിട്ടുണ്ട്.

ശാസ്ത്രസമൂഹത്തിനു മുന്നില് അവതരിപ്പിച്ച പരീക്ഷണഫലം അംഗീകരിക്കപ്പെടുമെന്നാണ് പ്രതീക്ഷിക്കുന്നത്. കാലിഫോർണിയ യൂണിവേഴ്സിറ്റിയിലെ ശാസ്ത്രജ്ഞനായ ജോനാതൻ ഫെംഗ് ആണ് അമേരിക്കൻ ശാസ്ത്ര സംഘത്തിന്റെ തലവൻ. ഭൗതികശാസ്ത്രജ്ഞനായ ആറ്റില ക്രാസ്നഹോർക്കെയാണ് ഹംഗേറിയൻ സംഘത്തലവൻ. ഡാർക്ക് ഫോട്ടോൺ എന്ന് താല്ക്കാലികമായി പേരിട്ടിരിക്കുന്ന ഈ പുതിയ ബോസോൺ ദൂരൂഹ പ്രതിഭാസമായ ശ്യാമദ്രവ്യത്തേക്കുറിച്ച് വിശദീകരിക്കാൻ പര്യാപ്തമാണെന്നാണ് ശാസ്ത്രസംഘം വിലയിരുത്തുന്നത്.

സാങ്കേതികവിദ്യയുടെ വളർച്ച സൈദ്ധാന്തിക ഭൗതികത്തെ മാറ്റിമറിക്കുന്ന കാഴ്ചയാണ് 21-ാം നൂറ്റാണ്ടിൽ നാം കണ്ടുകൊണ്ടിരിക്കുന്നത്. ഉയർന്ന ഊർജനിലയിൽ കണികാപരീക്ഷണം നടത്താൻ കഴിയുന്ന ഉപകരണങ്ങളുടെ നിർമാണമാണ് ഈ മാറ്റത്തിന് കാരണമാകുന്നത്. പുതിയ കണ്ടുപിടുത്തത്തിന്റെ വെളിച്ചത്തിൽ പ്രപഞ്ചത്തിലെ അടിസ്ഥാന ബലങ്ങൾ ഏതെല്ലാമാണെന്ന് പരിശോധിക്കാം.

  1. ഗുരുത്വാകർഷണ ബലം (gravitational force)
    അടിസ്ഥാനബലങ്ങളിൽ ഏറ്റവും ദുര്ബലം ഗുരുത്വാകർഷണമാണ്. പക്ഷെ ഉയർന്ന പിണ്ഡമുള്ള വസ്തുക്കളുടെ കാര്യത്തിലും വലിയ ദൂരപരിധിയിലും ഇത് വളരെ പ്രാധാന്യമുള്ളതാണ്. പ്രപഞ്ചമൊന്നാകെ വ്യാപിച്ചിരിക്കുന്ന ഗുരുത്വ ബലത്തിന്റെ പരിധി അനന്തമാണ്. ഗുരുത്വാകർഷണം സ്ഥിരമാണ്. ഇതിനെ പരികർഷണം ചെയ്യാനോ, പരിവർത്തനം ചെയ്യാനോ സാധിക്കില്ല. ഗുരുത്വബലത്തിന് ആകർഷണം മാത്രമേയുള്ളൂ, വികർഷണമില്ല. സ്ഥിരവൈദ്യുത ചാർജില്ലാത്ത ന്യൂട്രോണുകൾ, ന്യൂട്രിനോകൾ എന്നീ കണികകൾക്കും വലിയ ദ്രവ്യപിണ്ഡങ്ങളായ ഗ്രഹങ്ങൾ, നക്ഷത്രങ്ങൾ, ഗാലക്സികൾ, തമോദ്വാരങ്ങൾ തുടങ്ങിയ ഖഗോള വസ്തുക്കളുടെ കാര്യത്തിലും സ്ഥിരവൈദ്യുതി കാരണമുള്ള ആകർഷണം കണക്കിലെടുക്കാൻ കഴിയില്ല. വൈദ്യുത ബലങ്ങൾക്ക് ആകർഷണവും വിക ർ ഷണവും ഉള്ളതുകൊണ്ട് അവയെ എളുപ്പത്തിൽ നിഷേധിക്കാൻ സാധിക്കും. എന്നാൽ ഗുരുത്വാകർഷണത്തെ നിഷേധിക്കാൻ സാധ്യമല്ല. കാരണം അത് ആകർഷണം മാത്രമാണ്. അതിനാൽ തന്നെ എല്ലാ വസ്തുക്കളും ഗുരുത്വത്തിന് വിധേയമാണ്. അതും ആകർഷണം എന്ന ഒരു ദിശയിൽ മാത്രം.

വലിയ ദൂരപരിധി ആയതിനാൽ തന്നെ പ്രപഞ്ചത്തിൽ കാണുന്ന വലിയ പ്രതിഭാസങ്ങളെല്ലാം ഗുരുത്വത്തിന്റെ ഫലമായി ഉണ്ടാകുന്നവയാണ്. ഗാലക്സികളുടെ ഘടന, തമോദ്വാരങ്ങൾ, പ്രപഞ്ചവികാസം എന്നിവയെല്ലാം നിർണയിക്കുന്നതും നിയന്ത്രിക്കുന്നതും ഗുരുത്വബലമാണ്. ഭ്രമണപഥത്തിലൂടെയുള്ള ഗ്രഹങ്ങളുടെ സഞ്ചാരം, ഭാരം കൂടിയ വസ്തുക്കൾ ഭൂമിയോട് ഒട്ടിച്ചേർന്നിരിക്കുന്നത്, വസ്തുക്കൾ താഴേക്കു വീഴുന്നത്, നമുക്ക് ചാടാൻ കഴിയുന്ന ഉയരത്തിന്റെ പരിധി എന്നിവയെല്ലാം നിർണയിക്കുന്നത് ഗുരുത്വാകർഷണമാണ്. ഗുരുത്വ ബലത്തെ ശാസ്ത്രീയമായി വിശദീകരിക്കുന്നതിൽ ഏറ്റവുമധികം വിജയിച്ച സിദ്ധാന്തം സാമാന്യ ആപേക്ഷികതയാണ്. ഗ്രാവിറ്റോണുകൾ എന്ന സൈദ്ധാന്തിക കണമാണ് ഗുരുത്വ ക്വാണ്ടമായി പരിഗണിക്കുന്നത്. എന്നാൽ പരീക്ഷണശാലയിൽ ഗ്രാവിറ്റോണുകളെ ഇതുവരെ കണ്ടെത്താൻ കഴിഞ്ഞിട്ടില്ല.

  1. വിദ്യുത്കാന്തിക ബലം (electromagnetic force)
    വൈദ്യുത ചാർജുള്ള കണികകൾക്കിടയിൽ ഉണ്ടാകുന്ന ബലമാണ് വിദ്യുത്കാന്തികത. നിശ്ചലാവസ്ഥയിരിക്കുന്ന കണികകൾടയിലുള്ള സ്ഥിരവൈദ്യുത ബലവും താരതമ്യേന ചലിക്കുന്ന കണികകള്ക്കിടയില് പ്രവര്ത്തിക്കുന്ന വൈദ്യുത, കാന്തിക ബലങ്ങളും കൂടിച്ചേർന്നതാണ് ഇത്. വിദ്യുത്കാന്തിക ബലത്തിന്റെ പരിധിയും അനന്തമാണ്. ഈ ബലം ഗുരുത്വാകര്ഷണ ബലത്തിന്റെ 10 ^36 മടങ്ങ് ശക്തമാണ്. നിത്യജീവിതത്തിൽ നടക്കുന്ന മിക്കവാറും പ്രവര്ത്തനങ്ങൾ ഇതിന്റെ ഫലമാണ്. ഖരവസ്തുക്കൾ ഉറച്ചതായിരിക്കുന്നത്, ഘർഷണം, മിന്നൽ, വൈദ്യുത പ്രവാഹം, വൈദ്യുത ഉപകരണങ്ങൾ എന്നിവയെല്ലാം ഈ അടിസ്ഥാന പ്രവർത്തനത്തിന്റെ ഫലമായി ഉള്ളതാണ്. അണുതലത്തിൽ നടക്കുന്ന പ്രവർത്തനങ്ങളും അവയുടെ ഗുണങ്ങളും, രാസവസ്തുക്കളുടെ സ്വഭാവം, രാസബന്ധനങ്ങള് തുടങ്ങിയവയും ഈ പ്രവര്ത്തനത്തിന്റെ ഫലമാണ്. വിദ്യുത്കാന്തിക ബലം ഗുരുത്വാകർഷണത്തെ അപേക്ഷിച്ച് പലമടങ്ങ് ശക്തമാണെങ്കിലും ആകർഷണ – വികർഷണ സ്വഭാവമുള്ളതുകൊണ്ട് പരസ്പരം നിഷേധിക്കപ്പെടുകയും വലിയ വസ്തുക്കളിൽ ബലമില്ലാത്ത അവസ്ഥ ഉണ്ടാവുകയും ചെയ്യുന്നു. അതുകൊണ്ട് ഗുരുത്വാകർഷണം മേൽക്കോയ്മ നേടുകയും ചെയ്യുന്നു. വിദ്യുത്കാന്തികതയെ വിശദീകരിക്കുന്നതിന് ഉപയോഗിക്കുന്ന സിദ്ധാന്തമാണ് ക്വാണ്ടം ഇലക്ട്രോ ഡൈനമിക്സ്. ഫോട്ടോണുകളാണ് വിദ്യുത്കാന്തികത വഹിച്ചുകൊണ്ടുപോകുന്ന ക്വാണ്ടങ്ങൾ.

  2. ക്ഷീണ ന്യൂക്ലിയർ ബലം (weak interaction)
    ബീറ്റാ ക്ഷയം പോലെയുള്ള പ്രവർത്തനങ്ങൾക്ക് കാരണമാകുന്ന ബലമാണ് ക്ഷീണ ന്യുക്ലിയര്ബലം. റേഡിയോ ആക്ടീവതയ്ക്കും അണുവിഭജനത്തിനും അണുസംയോജനത്തിനും കാരണം ക്ഷിണ ബലമാണ്. ക്ഷീണ ന്യൂക്ലിയർ ബലം ഗുരുത്വാകർഷണ ബലത്തിന്റെ 10^25 മടങ്ങ് ശക്തമാണ്. എന്നാൽ ഈ ബലത്തിന്റെ പരിധി 10^-18 മീറ്ററാണ്. അണുകേന്ദ്രത്തിനുള്ളിൽ മാത്രം. വിദ്യുത്കാന്തികയും, ക്ഷീണബലവും വൈദ്യുത ദുർബല പ്രവർത്തനത്തിന്റെ രണ്ടു ഭാഗങ്ങളാണ്. ഈ കണ്ടുപിടുത്തം ഏകീകൃത സിദ്ധാന്തമായ സ്റ്റാൻഡേർഡ് മോഡലിന്റെ രൂപീകരണത്തിന് കാരണമായിത്തിർന്നു. ഇലക്ട്രോവീക്ക് സിദ്ധാന്തമാണ് ക്ഷീണബലത്തെ വിശദീകരിക്കുന്നതിന് ഉപയോഗിക്കുന്നത്. ഈ ബലത്തിന്റെ വാഹകർ W, Z എന്നീ പിണ്ഡം കൂടിയ ബോസോണുകളാണ്. പാരിറ്റി നിലനിർത്താത്ത ഒരേയൊരു അടിസ്ഥാന പ്രവര്ത്തനമാണ് ദുർബല പ്രവർത്തനം. ഇത് ഇടത്-വലത് സമമിതി പാലിക്കുന്നുമില്ല. വിദ്യുത്കാന്തികതയും, ക്ഷീണ ന്യൂക്ലിയർ പ്രവര്ത്തനവും താഴ്ന്ന ഊർജ നിലയിൽ വളരെ വ്യത്യാസമുള്ളതായി കാണപ്പെടുന്നതുകൊണ്ട് രണ്ട് വ്യത്യസ്ത സിദ്ധാന്തങ്ങളുടെ പശ്ചാലത്തലത്തിൽ അവയെ വിശദീകരിക്കാന് കഴിയും. എന്നാൽ 100 ജിഗാ ഇലക്ട്രോൺ വോൾട്ട് ഊർജ നിലയ്ക്ക് മുകളിൽ അവ കൂടിച്ചേർന്ന് വൈദ്യുത ക്ഷീണബലം (electro-weak interaction) എന്ന ഒരു ബലമായി തീരുന്നു. ആധുനിക പ്രപഞ്ച ശാസ്ത്രത്തിൽ വളരെ പ്രാധാന്യമർഹിക്കുന്നതാണ് വൈദ്യുത ദുർബല സിദ്ധാന്തം. വിശേഷിച്ചും പ്രപഞ്ചോല്പത്തി സംബന്ധിച്ചുള്ള പഠനങ്ങളിൽ. മഹാവിസ്ഫോടനത്തിനു ശേഷമുള്ള ആദ്യനിമിഷങ്ങളിൽ ശൈശവ പ്രപഞ്ചത്തിന്റെ താപനില 10^15 കെൽവിനിൽ അധികമായിരുന്നു. ആ അവസരത്തിൽ വിദ്യുത്കാന്തിക ബലവും ക്ഷീണന്യൂക്ലിയർ ബലവും കൂടിച്ചേർന്ന് വിദ്യുത്ക്ഷീണ ബലമായിത്തീർന്നു.

  3. ശക്ത ന്യൂക്ലിയർ ബലം (strong nuclear force)
    പോസിറ്റീവ് ചാർജുള്ള പ്രോട്ടോണുകളും, ചാർജില്ലാത്ത ന്യൂട്രോണുകളും കൊണ്ടാണ് അണുകേന്ദ്രം നിർമിച്ചിരിക്കുന്നത്. ഒരേ ചാർജുകൾ പരസ്പരം വികർഷിക്കുമെന്ന് എല്ലാവർക്കുമറിയാം. എന്നാൽ പോസിറ്റീവ് ചാർജുള്ള അണുകേന്ദ്രം തകരുന്നില്ല. അണുകേന്ദ്രത്തിൽ നിന്നും തെറിച്ചുപോകാതെ പ്രോട്ടോണുകളെ ബന്ധിപ്പിച്ചുനിർത്തുന്ന അടിസ്ഥാന ബലമാണ് ശക്തബലം. ന്യൂക്ലിയസ് വീണ്ടും വിഭജിച്ചാൽ അവ ക്വാർക്കുകളായി മാറുന്നു. ആറു തരം ക്വാർക്കുകളാണ് ഇതുവരെ കണ്ടെത്തിയിട്ടുള്ളത്. അപ്, ഡൗൺ, ചാം, സ്ട്രേഞ്ച്, ടോപ്, ബോട്ടം എന്നിവയാണ് ആറ് ക്വാർക്കുകൾ. ഇവയിൽ അപ്, ഡൗൺ എന്നീ ക്വാർക്കുകൾ കൊണ്ടാണ് പ്രപഞ്ചത്തിലെ എല്ലാ പദാർഥങ്ങളും നിർമിക്കപ്പെട്ടിരിക്കുന്നത്. ചാം, സ്ട്രേഞ്ച് എന്നീ ക്വാർക്കുകളാണ് കോസ്മിക് രശ്മികളുടെ മൗലിക കണങ്ങൾ. ടോപ്, ബോട്ടം എന്നീ ക്വാർക്കുകൾ പരീക്ഷണശാലയിൽ കൃത്രിമമായി നിർമിച്ചതാണ്. ക്വാർക്കുളെ വിഭജിക്കാൻ ഇതുവരെ കഴിഞ്ഞിട്ടില്ല. ശക്ത ന്യൂക്ലിയർ ബലത്തെ മറികടക്കാൻ കഴിയാത്തതുകൊണ്ടാണ് ക്വാർക്കുകളുടെ വിഭജനം അസാധ്യമായി തുടരുന്നത്. അടിസ്ഥാന ബലങ്ങളിൽ ഏറ്റവും ശക്തമായ ബലമാണിത്. ഗുരുത്വാകർഷണ ബലത്തിന്റെ 10^38 മടങ്ങ് ശക്തമാണ് ഈ ബലം. ക്വാണ്ടം ക്രോമോഡൈനമിക്സ് ആണ് ശക്ത ന്യൂക്ലിയർ ബലത്തെ വിശദീകരിക്കാൻ ഉപയോഗിക്കുന്ന സിദ്ധാന്തം. ഗ്ലുവോണുകൾ ആണ് ശക്ത ന്യൂക്ലിയർ പ്രവർത്തനത്തിന്റെ ബലവാഹകർ. പ്രപഞ്ചത്തിലെ ഏറ്റവും ശക്തമായ ബലമാണെങ്കിലും ഇതിന്റെ പരിധി 10^-15 മീറ്റർ മാത്രമാണ്.