मानक मॉडल उप-परमाणु दुनिया का सबसे पूर्ण विवरण है जिसे आधुनिक भौतिकी में कभी बनाया गया है। मॉडल की नींव पर 20 वीं सदी के माध्यम से बनाया गया था क्वांटम यांत्रिकी, अजीब सिद्धांत जो वर्णन करता है कि कण सबसे छोटे पैमाने पर कैसे व्यवहार करते हैं। मानक मॉडल प्रकृति के चार बलों में से तीन की व्याख्या करता है: विद्युत चुंबकत्व, मजबूत परमाणु बल और कमजोर परमाणु बल। सिद्धांत को हजारों बार अविश्वसनीय सटीकता के लिए परीक्षण किया गया है और इसकी कमियों के बावजूद, आधुनिक विज्ञान की सबसे महत्वपूर्ण उपलब्धियों में से एक है।
यूनियन कॉलेज के भौतिक विज्ञानी और कई लोकप्रिय भौतिकी पुस्तकों के लेखक चाड ओरज़ेल ने कहा, “यह सोचने के लिए प्रमुख प्रतिमान है कि चीजें सबसे बुनियादी स्तर पर कैसे बातचीत करती हैं,” और यह “सटीकता की अभूतपूर्व डिग्री के लिए परीक्षण किया गया है।” “हाउ टू टीच क्वांटम फिजिक्स टू योर डॉग” (स्क्रिबनेर, 2009) सहित, लाइव साइंस को एक ईमेल में बताया।
मानक मॉडल कैसे विकसित किया गया था?
भौतिकविदों ने सैद्धांतिक और प्रायोगिक विकास की एक श्रृंखला के बाद 1950 के दशक में मानक मॉडल विकसित करना शुरू किया। सैद्धांतिक पक्ष पर, भौतिकविदों ने क्वांटम यांत्रिकी का विस्तार किया था – मूल रूप से केवल उप-परमाणु कणों को समझने के लिए विकसित किया गया था – विद्युत चुम्बकीय बल की व्याख्या करने के लिए। प्रायोगिक पक्ष पर, भौतिकविदों ने अभी-अभी परमाणु बम विकसित किया था और उन्हें मजबूत और कमजोर परमाणु बलों के बारे में पता था, लेकिन अभी तक उनका पूरा विवरण नहीं था।
मानक मॉडल 1970 के दशक में अपने आधुनिक रूप में पहुंच गया, एक बार कुछ प्रमुख तत्व जगह में थे: मजबूत बल की व्याख्या करने के लिए एक क्वांटम सिद्धांत, यह अहसास कि विद्युत चुम्बकीय और कमजोर परमाणु बलों को एकीकृत किया जा सकता है, और हिग्स तंत्र की खोज कण द्रव्यमान को जन्म दिया, अमेरिकी ऊर्जा विभाग के अनुसार (नए टैब में खुलता है) (डीओई)।
“मुझे लगता है कि यह मानव सभ्यता के इतिहास में सबसे बड़ी बौद्धिक विजयों में से एक के रूप में खड़ा है, दोनों ही घटनाओं की विशाल श्रृंखला के लिए और इसे एक साथ रखने में शामिल कठिनाई की डिग्री के लिए भी,” ओरज़ेल ने कहा।
मानक मॉडल कैसे व्यवस्थित किया जाता है?
मानक मॉडल उप-परमाणु दुनिया को कणों की दो व्यापक श्रेणियों में व्यवस्थित करता है, जिन्हें फ़र्मियन और बोसॉन के रूप में जाना जाता है, टेनेसी विश्वविद्यालय, नॉक्सविले के अनुसार (नए टैब में खुलता है). मोटे तौर पर, फ़र्मियन समान क्वांटम अवस्था साझा नहीं कर सकते हैं (उदाहरण के लिए, एक के अंदर समान ऊर्जा स्तर) परमाणु) फ़र्मियन सामान्य पदार्थ के “बिल्डिंग ब्लॉक्स” हैं, जो विभिन्न तरीकों से मिलकर कुछ प्रसिद्ध उप-परमाणु कणों, जैसे प्रोटॉन, इलेक्ट्रॉनों और न्यूट्रॉन का निर्माण करते हैं।
दो प्रकार के फ़र्मियन हैं: लेप्टन, जो विद्युत चुम्बकीय और कमजोर परमाणु बलों का जवाब देते हैं, और क्वार्क, जो मजबूत परमाणु बल का जवाब देते हैं। लेप्टान में परिचित इलेक्ट्रॉन, साथ ही इसके भारी चचेरे भाई मुऑन और ताऊ शामिल हैं। इन दो कणों में इलेक्ट्रॉन के समान गुण होते हैं लेकिन अधिक विशाल होते हैं।
इनमें से प्रत्येक लेप्टान को संबंधित न्यूट्रिनो के साथ जोड़ा जाता है। न्युट्रीनो अल्ट्रालाइट कण हैं जो शायद ही कभी पदार्थ के साथ बातचीत करते हैं लेकिन परमाणु प्रतिक्रियाओं में उत्पन्न होते हैं। तो इलेक्ट्रॉन-न्यूट्रिनो, म्यूऑन-न्यूट्रिनो और ताऊ-न्यूट्रिनो हैं।
इन छह लेप्टानों के अलावा, क्वार्क हैं, जो छह प्रकार या “स्वाद” में आते हैं: ऊपर, नीचे, आकर्षण, अजीब, ऊपर और नीचे। अप और डाउन क्वार्क सबसे हल्के और सबसे स्थिर होते हैं, और वे प्रोटॉन और न्यूट्रॉन बनाने के लिए ट्रिपलेट्स में एक साथ जुड़ते हैं।
दूसरी ओर, बोसॉन समान ऊर्जा अवस्था साझा कर सकते हैं। सर्वाधिक ज्ञात बोसॉन है फोटोन, विद्युत चुम्बकीय बल का बल वाहक। डीओई के अनुसार, अन्य बल-वाहक बोसॉन में कमजोर परमाणु बल के तीन वाहक (डब्ल्यू +, डब्ल्यू- और जेड बोसॉन कहा जाता है) और मजबूत परमाणु बल के आठ वाहक शामिल हैं, जिन्हें ग्लून्स कहा जाता है।
अंतिम बोसॉन, जिसे कहा जाता है हिग्स बॉसनविशेष है और मानक मॉडल में बहुत महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।
मानक मॉडल में हिग्स तंत्र की क्या भूमिका है?
मानक मॉडल में हिग्स बोसॉन दो महत्वपूर्ण कार्य करता है। उच्च ऊर्जा पर, विद्युत चुम्बकीय और कमजोर परमाणु बल एक सामान्य, एकीकृत बल में विलीन हो जाते हैं जिसे इलेक्ट्रोवीक बल कहा जाता है। कम ऊर्जाओं पर (अर्थात, रोजमर्रा की जिंदगी की विशिष्ट ऊर्जाएं), दोनों बल अपने परिचित रूपों में विभाजित हो जाते हैं। हिग्स बोसोन इन दोनों बलों को कम ऊर्जा पर अलग रखने के लिए जिम्मेदार है, क्योंकि कमजोर परमाणु और विद्युत चुम्बकीय बल हिग्स बोसोन के साथ अलग तरह से बातचीत करते हैं, भौतिकी संस्थान के अनुसार (नए टैब में खुलता है).
अन्य सभी क्वार्क और लेप्टान (न्यूट्रिनो के अपवाद के साथ) भी हिग्स बोसॉन के साथ परस्पर क्रिया करते हैं। यह अंतःक्रिया उन कणों को उनके व्यक्तिगत द्रव्यमान देती है, जो इस बात पर निर्भर करती है कि कण हिग्स के साथ कितनी दृढ़ता से संपर्क करता है। इस प्रकार, हिग्स बोसोन की उपस्थिति हमारे ब्रह्मांड में कई कणों को द्रव्यमान प्राप्त करने की अनुमति देती है।
मानक मॉडल का परीक्षण कैसे किया जाता है?
मानक मॉडल का परीक्षण करना अत्यंत कठिन है, क्योंकि इसमें शामिल सभी कण अत्यंत सूक्ष्म हैं।
“इन कणों में से कोई भी, शायद इलेक्ट्रॉन के अलावा, प्रत्यक्ष रूप से देखने योग्य नहीं हैं, और फिर भी उनका अस्तित्व वास्तविकता की प्रकृति में गहराई से जांच कर रहे भौतिकविदों की पीढ़ियों द्वारा काम के संचय के लिए लगभग असंगत रूप से साबित होता है, ” ओरज़ेल ने कहा।
उस ने कहा, मानक मॉडल दशकों से किए गए उच्च-सटीक प्रयोगों की बैटरी से बच गया है। उन सभी प्रयोगों में कण कोलाइडर का उपयोग शामिल है, जैसे कि लार्ज हैड्रान कोलाइडर जिनेवा के पास, जो लगभग प्रकाश की गति से कणों को एक साथ पटकते हैं। उन टकरावों से जबरदस्त मात्रा में ऊर्जा निकलती है, जिससे भौतिकविदों को प्रकृति की मूलभूत बातचीत का अध्ययन करने की अनुमति मिलती है, सर्न के अनुसार (नए टैब में खुलता है)यूरोपियन ऑर्गनाइजेशन फॉर न्यूक्लियर रिसर्च, जो लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर का घर है।
“मेरे लिए, सबसे प्रभावशाली विशेषता यह है कि यह हमें वास्तविक दुनिया के मापदंडों को एक आश्चर्यजनक सटीकता के लिए निर्धारित करने की अनुमति देता है – इलेक्ट्रॉन के विषम चुंबकीय क्षण की तरह कुछ के मामले में 13 से 14 दशमलव स्थानों की तरह कुछ,” ओरज़ेल ने कहा।
मानक मॉडल के साथ क्या समस्याएं हैं?
एक एकल गणितीय ढांचे के तहत विभिन्न प्रकार की प्राकृतिक घटनाओं की व्याख्या करने में अपनी भारी सफलताओं के बावजूद, भौतिकविदों को पता है कि मानक मॉडल पूर्ण नहीं है। सबसे महत्वपूर्ण, शामिल करने का प्रयास गुरुत्वाकर्षण मानक मॉडल में लगातार विफल रहे हैं।
“बाकी मूलभूत भौतिकी के लिए मानक मॉडल ढांचे के साथ गुरुत्वाकर्षण को मिलाने में असमर्थता है सैद्धांतिक कण भौतिकविदों के सामने सबसे बड़ी चुनौती, और उन्हें अटकलों के कुछ काफी बारोक क्षेत्रों में ले जाया गया है, “ओरज़ेल ने कहा। “यह बिल्कुल स्पष्ट नहीं है कि इसे कैसे हल किया जाएगा, या यहां तक कि अगर इसे निकट भविष्य की तकनीक के साथ हल करना संभव है। ”
लापता गुरुत्वाकर्षण के अलावा, मॉडल में न्यूट्रिनो को उनके द्रव्यमान देने के लिए एक तंत्र शामिल नहीं है, और इसमें शामिल नहीं है गहरे द्रव्य या काली ऊर्जाजो ब्रह्मांड में द्रव्यमान और ऊर्जा के प्रमुख रूप हैं।
हालांकि, भले ही मानक मॉडल पूर्ण नहीं है, भौतिकविदों के पास इसका विस्तार करने के बारे में व्यापक रूप से सहमत सिद्धांत नहीं है, और इसलिए यह अब तक तैयार किए गए उप-परमाणु भौतिकी का सबसे अच्छा कामकाजी विवरण है।
अतिरिक्त संसाधन
विशेष रूप से मजबूत बल के बारे में अधिक जानने के लिए, देखें यह पॉडकास्ट एपिसोड (नए टैब में खुलता है) लेख लेखक पॉल सटर द्वारा। मानक मॉडल के दौरे पर फर्मिलैब वैज्ञानिक डॉन लिंकन से जुड़ें इस वीडियो में (नए टैब में खुलता है). इस विषय पर एक लोकप्रिय अवलोकन के लिए, देखें “द थ्योरी ऑफ ऑलमोस्ट एवरीथिंग: द स्टैंडर्ड मॉडल, द अनसंग ट्रायम्फ ऑफ मॉडर्न फिजिक्स” (नए टैब में खुलता है) (पेंगुइन पब्लिशिंग ग्रुप, 2006), भौतिक विज्ञानी रॉबर्ट ओर्टर द्वारा।
ग्रन्थसूची
हॉडसन, एल। एट अल। “मानक मॉडल का उदय: 1964 से 1979 तक कण भौतिकी का इतिहास” (कैम्ब्रिज यूनिवर्सिटी प्रेस 1997)
कोटिंघम, डब्ल्यूएन और ग्रीनवुड, डीए “कण भौतिकी के मानक मॉडल का परिचय” (कैम्ब्रिज यूनिवर्सिटी प्रेस 2007)
ओर्टर, आर. “द थ्योरी ऑफ ऑलमोस्ट एवरीथिंग: द स्टैंडर्ड मॉडल, द अनसंग ट्रायम्फ ऑफ मॉडर्न फिजिक्स” (पाई प्रेस 2006)
बार्डिन, डी. और पासारिनो, जी. “द स्टैंडर्ड मॉडल इन द मेकिंग: प्रेसिजन स्टडी ऑफ द इलेक्ट्रोवीक इंटरेक्शन्स” (क्लेरेंडन प्रेस 1999)