હિગ્સ બોઝોન (ભાગ-૩)
આપણું બ્રહ્માંડ મૂળભૂત રીતે ચાર મુખ્ય બળોનું બનેલું છે. સ્ટ્રોંગ ફોર્સ, વીક ફોર્સ, વિદ્યુતચુંબક્ત્વ અને ગુરૂત્વાકર્ષણ એ ચાર મૂળભૂત બળો દ્વારા જ અન્ય બળો તથા અન્ય તમામ આંતરક્રિયાઓ પેદા થાય છે. આ ચારેય બળો કરોળીયાના જાળાની માફક પોતાનું ક્ષેત્ર ફેલાવે છે અને એ ક્ષેત્ર એમાં આવતાં પદાર્થો પર આનુષાંગિક અસરો ઉપજાવે છે. ભૌતિકવિજ્ઞાનીઓ વર્ષોથી થિયરી ઓફ એવરીથીંગની તલાશ કરી રહ્યાં છે. એ થિયરી ઓફ એવરીથીંગ એટલે આ ચારેય બળોને એક તાંતણે પરોવીને એકસૂત્ર કરીને એક જ સમીકરણ વડે બ્રહ્માંડને સમજાવતી થિયરી. હા. આપણાં આખે આખાં બ્રહ્માંડને માત્ર એક જ સમીકરણ વડે સમજાવતી થિયરી.. અલબત્ત એ સમીકરણ સાદું સમીકરણ ન જ હોય પણ જેનો ઉકેલ ખાસ્સો લાંબો થાય એવું જટીલ વિકલ સમીકરણ હોય એ સ્વાભાવિક છે, પણ એ જેવું હોય એવું પરંતુ એવું એક સમીકરણ (આસ્તિકો માટે સર્જનહારનું સમીકરણ અને નાસ્તિકો માટે સર્જનનું સમીકરણ) જરૂર હોવું જોઇએ જેના આધારે આખું બ્રહ્માંડ ચાલતું હોય!
ચાર મૂળભૂત બળોમાંથી સ્ટ્રોંગ ફોર્સ, વીક ફોર્સ અને વિદ્યુતચુંબક્ત્વ એ ત્રણ બળોને ક્વોન્ટમ ફિઝિક્સ બખૂબી સમજાવે છે. એટલે સુધી કે આ ત્રણેય બળોને એકસૂત્રે બાંધીને એની સંયુક્ત ક્વોન્ટમ થિયરી આપી શકાય છે. બસ એકમાત્ર બળ કે જે ભલભલાને ગાંઠતું નથી, એ બળ આ થિયરીમાં (કે આખા ક્વોન્ટમ ફિઝીક્સમાં) ક્યાંય ફીટ બેસતું નથી. એ છે ગુરૂત્વાકર્ષણનું બળ. ગુરૂત્વાકર્ષણ સિવાયના બાકીના ત્રણ બળોને ક્વોન્ટમ ફિલ્ડ થિયરી દ્વારા બખૂબી સમજાવવામાં આવ્યાં છે અને તેમને ભેગાં કરતી થિયરી પણ બનાવવામાં આવી છે. આ થિયરી એટલે કણોનું સ્ટાન્ડર્ડ મોડેલ (આપણે અગાઉ જોઇ ગયાં એ કણ સંગ્રહાલય). એ સ્ટાન્ડર્ડ મોડેલના કણો પૈકીનો એક એવો આપણો હિગ્સ બોઝોન.
પ્રસ્તુત લેખમાં હિગ્સ બોઝોનને ભૌતિકવિજ્ઞાનના ટેકનીકલ દૃષ્ટીકોણે જોવાનો છે. એટલે આ લેખ પુરતું એમ બની શકે કે ભૌતિકવિજ્ઞાનનું બેઝીક ન જાણતાં વાચકોને સમજવામાં જરા તકલીફ પડે. તો ભૌતિકવિજ્ઞાનમાં ઉંડો રસ ન ધરાવનારા વાચકોને આટલેથી આ લેખ છોડી જવાની છુટ છે અને જો આગળ વધવું જ હોય તો સામાન્યમાં સામાન્ય વાચકોને પણ ખબર પડે એવાં શબ્દોમાં ભૌતિકવિજ્ઞાનના અઘરા ખ્યાલોને સમજાવવા પ્રયત્ન કરીશ.
બધાં બળો ફિલ્ડ એટલે કે ક્ષેત્ર સ્વરૂપે વિસ્તરેલાં હોય છે. ચુંબક ઉપર એક સફેદ કાગળ મુકો અને એના પર લોખંડનો ભુકો ભભરાવી આંગળી વડે હળવેકથી ઠપકારશો તો સરસ મજાની પેટર્નમાં એ ભુકો ગોઠવાઇ જશે. આ પેટર્ન અદૃશ્ય લાગતાં ચુંબકીય ક્ષેત્રની હાજરી બતાવે છે. ગુરૂત્વાકર્ષણ, સ્ટ્રોંગ ફોર્સ અને વીક ફોર્સ પણ આજ રીતે ક્ષેત્ર રચે છે. આ ક્ષેત્ર સાથે આંતરક્રિયા કરીને જ તો બીજાં કણને ખબર પડે છે કે એનાં પર કોણ, કેવું બળ લગાવી રહ્યું છે. આ મૂળભૂત બળોનાં ક્ષેત્રો બ્રહ્માંડ સાથે ગુંથાયેલી-વણાયેલી વસ્તુઓ છે. આવાં બળ-ક્ષેત્રને કોઇ ચોક્ક્સ ભૌતિક સ્વરૂપમાં સીધેસીધું માપી શકાતું નથી. પણ આ ક્ષેત્રો સાથે જોડાયેલી ભૌતિકરાશિઓને માપી શકાય છે. એ ભૌતિકરાશિઓમાં થતાં ફેરફારોને માપી શકાય છે અને એના પરથી ક્ષેત્રોના અસ્તિત્વનો અંદાજો લગાવી શકાય છે. માપી ન શકાય એવાં ક્ષેત્રોને માપી શકાય એવી ભૌતિક રાશિઓના સ્વરૂપમાં દર્શાવવાની પ્રક્રિયાને ગોજ ટ્રાન્સફોર્મેશન (ગોજ રૂપાંતરણ) કહે છે. એ રીતે જોઇએ તો ગોજ ટ્રાન્સફોર્મેશન અત્યંત અગત્યની વસ્તુ છે, કારણ કે કુદરતનાં પરમ સર્જનના આંતરિક બંધારણને તે વ્યક્ત કરે છે. પરંતુ કુદરતમાં કુદરતી રીતે વણાયેલી-ગૂંથાયેલી વસ્તુને જાણીતી વસ્તુનાં સ્વરૂપમાં ૧૦૦% સચોટતાથી દર્શાવી શકાતું નથી. એટલે ક્ષેત્રને અન્ય રાશિનાં સ્વરૂપમાં દર્શાવવામાં આવે ત્યારે અલ્પ માત્રાનો તફાવત રહી જાય છે. એ તફાવત ગોજ ઇન્વેરિયન્સ તરીકે ઓળખાય છે. અજાણ્યા ક્ષેત્રને જાણીતી રાશી કે રાશીઓના સમૂહ વડે દર્શાવી શકાય એ વાત જ દર્શાવે છે કે બળનું ક્ષેત્ર અને ભૌતિક રાશીઓ એકબીજા સાથે સંબંધ ધરાવે છે, કહો કે એકબીજા સાથે અભિન્ન રીતે જોડાયેલા છે. આ પ્રકારના સંમિતિય સંબંધને ગોજ સિમિટ્રી કહે છે. ગોજ ટ્રાન્સફોર્મેશન, ગોજ ઇન્વેરિયન્સ અને ગોજ સિમિટ્રી ધરાવતી થિયરી ગોજ થિયરી તરીકે ઓળખાય છે. અહીં ‘ગોજ’ શબ્દનો અર્થ થાય છે માપન. માપન કે જે ક્વોન્ટમ ફિઝીક્સમાં અત્યંત અગત્યનું છે. ૧૯૨૦ પછી ક્વોન્ટમ ફિલ્ડ થિયરીનો જે વિકાસ થયો એની પાછળ ગોજ રૂપાંતરણોએ ઘણો અગત્યનો ભાગ ભજવ્યો છે.
બ્રહ્માંડના જે ચાર મૂળભૂત બળોની વાત કરી એ ચાર બળો મેસેન્જર પાર્ટીકલ નામના કણો દ્વારા ફેલાય છે. એ સ્વાભાવિક પ્રશ્ન છે કે એક કણથી બીજા કણ સુધી બળની અસર કેવી રીતે પહોંચતી હશે. એનાં જવાબમાં એમ કહી શકાય કે આ ટપાલી (મેસેન્જર) કણો એક જગ્યા (કણ કે પદાર્થ) માંથી બીજી જગ્યા (બીજો કણ કે પદાર્થ) સુધી બળને ખેંચીને લઇ જાય છે. તેઓ બળના વાહક કણો છે. આવા કણો ગોજ બોઝોન તરીકે ઓળખાય છે. (અહીં કણો વચ્ચે કોઇ ગેરસમજ ન થાય એ માટે એક-બે વાતોનો જરા ફરી ઉલ્લેખ કરી લઇએ. પદાર્થના કે દળના મૂળભૂત કણો, જે પ્રકારની રીતે ફર્મીઓન છે તે, છેલ્લે તો ‘ક્વાર્ક’ કણોના બનેલા હોય છે. જેમ કે પ્રોટોન અને ન્યુટ્રોન. ‘ક્વાર્ક’ ના બનેલા આવા કણો ‘હેડ્રોન’ કહેવાય છે. એટલે ‘હેડ્રોન’ નું મૂળ તત્વ ‘ક્વાર્ક’ છે. એ સિવાય ઇલેક્ટ્રોન જેવાં કેટલાક કણો પોતે જ મૂળભૂત કણ છે. તે ‘ક્વાર્ક’ જેવા અન્ય કોઇ કણના બનેલા નથી. જેમ કે ઇલેક્ટ્રોન, ઇલેક્ટ્રોન ન્યુટ્રીનો, ટાઉ ન્યુટ્રીનો, મ્યુઓન વગેરે.. ‘ક્વાર્ક’ કણોના બનેલા ન હોય એવાં કણો ‘લેપ્ટોન’ કહેવાય છે. આમ, કુદરતમાં મૂળભૂત કણો કહી શકાય એવાં બે જ પ્રકાર છે. ‘ક્વાર્ક’ અને ‘લેપ્ટોન’.. પણ આ વાત થઇ દળ કે પદાર્થના મૂળભૂત કણોની. બળના વાહક કણો તરીકે જે મૂળભૂત કણો છે તેમને ‘ગોજ બોઝોન’ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. સ્વાભવિક છે કે ક્વાર્ક અને લેપ્ટોન તેમની સ્પીનના આધારે ‘ફર્મીઓન’ પ્રકારના કણો છે જ્યારે ‘ગોજ બોઝોન’ તેના નામ મુજબ જ ‘બોઝોન’ પ્રકારના કણો છે. માહિતી માટે નોંધી લઇએ કે ચાર મૂળભૂત બળો પૈકી સ્ટ્રોંગ ફોર્સના વાહક કણો ગ્લુઓન, વીક ફોર્સના વાહક કણો W અને Z કણો, વિદ્યુતચુંબકત્વના વાહક કણો ફોટોન અને ગુરૂત્વાકર્ષણના વાહક કણો ગ્રેવીટોન તરીકે ઓળખાય છે. આ બધામાંથી એકમાત્ર ગ્રેવીટોન જ પ્રાયોગિક રીતે શોધાવાના બાકી છે. આટલું સમજવાથી એ સ્પષ્ટ થઇ જાય છે કે સ્ટાન્ડર્ડ મોડેલ એટલે ક્વાર્ક, લેપ્ટોન અને ગોજ બોઝોન.)
હવે ફરી વાત કરીએ હિગ્સની. અન્ય કેટલાક અસ્થાયી કણોની જેમ હિગ્સ પણ અત્યંત અસ્થાયી કણ છે. ક્ષણભર અસ્તિત્વ ધરાવી તરતજ પરમમાં વિલીન થઇ જાય છે. આ વાત પર થોડોક વિચાર કરીએ તો મગજમાં તરતજ બત્તી થશે કે તો પછી હિગ્સ સતત મોજૂદ રહીને એનું ક્ષેત્ર નથી ફેલાવતો? જેમ ચુંબક પોતે એનું ચુંબકીય ક્ષેત્ર ફેલાવે છે એમ હિગ્સ નથી ફેલાવતો?? અને જો એ કાયમ માટે મોજૂદ રહીને એનું ક્ષેત્ર ફેલાવતો હોય તો પછી એ અલ્પજીવી કઇ રીતે હોઇ શકે?? આ સવાલ મૂળભૂત છે, માટે એનો જવાબ સમજવા જેવો છે. આપણે જે હિગ્સનું પાર્ટીકલ એક્સીલરેટરમાં નિર્માણ કરીએ છીએ એ અસ્થિર છે. એનું નિર્માણ આપણે કૃત્રિમ રીતે કર્યું છે. જે સ્વરૂપમાં એનું નિર્માણ થાય છે એ સ્વરૂપ ક્ષણભંગુર છે કારણ કે ખરેખરમાં એ કણ એ સ્વરૂપમાં છે જ નહી. એ તો કોઇ અદૃશ્ય સ્થાયી ક્ષેત્ર (હિગ્સ ફિલ્ડ) ના સ્વરૂપમાં બ્રહ્માંડમાં સર્વવ્યાપ્ત છે. સતત મોજૂદ છે. આપણે પાર્ટીકલ એક્સીલરેટરમાં કૃત્રિમ સંજોગો ઉભા કરીને એને ક્ષેત્રમાંથી ભૌતિક કણ સ્વરૂપે અવતાર ધરવા મજબૂર કરીએ છીએ. એ અવતાર અસ્થાયી છે. એ ભૌતિક અવતાર ક્ષણભંગુર છે. છતાં અલ્પ સમય માટે તો અલ્પ સમય માટે, એ ભૌતિક સ્વરૂપે આવે તો છે. એ વખતે આપણે એનું અવલોકન કરીએ છીએ. એની ઊર્જા માપીએ છીએ અને એ થિયરીની ચકાસણી કરીએ છીએ. આ થિયરી પ્રાયોગિક રીતે સાચી સાબિત થવાનો મતલબ એ કે એ બ્રહ્માંડની પરમ વાસ્તવિકતાનો એક અંશ બખૂબી સમજાવે છે અને આવાં ઘણાબધાં અંશો ભેગાં કરી આપણે બ્રહ્માંડને સમજવાની ખોજમાં આગળ વધીએ છીએ. આપણા ઉભા કરેલાં કૃત્રિમ સંજોગોમાં હિગ્સના કુદરતી ક્ષેત્રની ઊર્જા ચોક્ક્સ વિસ્તાર પુરતી એકદમ સંકેન્દ્રીત થાય છે. થિયરીમાં વર્ણવ્યા મુજબની જ ઊર્જા સંકેન્દ્રીત થઇ કણનું નિર્માણ કરે તો એ થિયરી સાચી પડે છે.
હવે વાત આવે છે ‘દળ’ની. હિગ્સ અન્ય કણોને (અને તે કણોથી બનતા તમામ પદાર્થોને) દળ કઇ રીતે આપે છે? સાદા અને સરળ શબ્દોમાં કહીએ તો જ્યારે હિગ્સ અન્ય કણો સાથે આંતરક્રીયા કરે છે ત્યારે નીપજ સ્વરૂપે ‘દળ’ પેદા થાય છે.
