हिग्ज बोसॉन कण आणि हिग्ज क्षेत्र (Higgs-Boson particle and Higgs field)

भाग १: हिग्ज फिल्ड (हिग्ज क्षेत्र)

     आपल्यापैकी बऱ्याच जणांना कित्येकदा हिग्ज बोसॉन कण म्हणजे काय हा प्रश्न पडतो.याबाबत कुठेतरी वाचलेलं किंवा ऐकलेलं असतं पण नक्की काय आहे ते कळत नाही.त्यात मग पुन्हा प्रसार माध्यमे आणि अध्यात्म/धर्म यावर आधारित चित्रपट यांतून या कणाचा उल्लेख 'देव कण (God Particle)' असा केला जातो.त्यातून मग अजुन संभ्रम निर्माण होतो.
     सर्वप्रथम देव कण ही कल्पना स्पष्ट करतो.अनेकदा या कणाचा उल्लेख देव कण म्हणजेच god particle असा केला जातो.याला कारण दिले जाते की म्हणे हा कण गुढ आहे.खरेतर यात गूढ़ असे काहीच नाही.गॉड पार्टिकल हे नाव अस्तित्वात येण्यामागची कहाणी वेगळीच आहे.लिऑन लेडेरमन नावाचे एक अमेरिकन भौतिकशास्त्रज्ञ आहेत जे स्वतः नोबेल पुरस्कार विजेते आहेत.ज्या वेळी हिग्ज बोसॉन कणाचे अस्तित्व सिद्ध व्हायचे होते त्यावेळी संशोधकांना या कणाने फार छळले होते अर्थात बेचैन केले होते.त्या कणाच्या संकल्पनेविषयी पुस्तक लिहिताना लेडरमन यांनी वैतागून त्या कणाचा उल्लेख गॉड डॅम पार्टिकल असा केला.ही माहिती जेव्हा कळाली तेव्हा प्रसारमाध्यमांनी याची तुलना गॉड शी करून गॉड पार्टिकल असं नाव प्रसृत केलं जे गरज नसतानाही पसरवलं गेलं आहे.ज्यातील गॉड चा त्या पार्टिकलशी दुरांवयेही संबंध नाही.
      भौतिकशास्त्रज्ञ पीटर हिग्ज यांनी सर्वप्रथम हिंग्ज फिल्ड ची कल्पना मांडली.आपण बघतो की विश्वात अस्तित्वात असलेल्या प्रत्येक गोष्टीला म्हणजे अणु गर्भातल्या प्रोटॉन पासून ते सूर्यासारख्या ताऱ्यापर्यंत प्रत्येक गोष्टीला स्वतः च असं एक वस्तुमान आहे.यातून प्रश्न निर्माण झाला की हे वस्तूमान आलं कुठून ?ते या वस्तुंना प्राप्त झालं कसं ?
यावर हिग्ज यांनी अशी कल्पना मांडली होती की एक असं क्षेत्र सर्वत्र पसरलं आहे ज्याला हिग्ज फिल्ड म्हंटले जाते,त्या फील्डसोबत अन्योन्यक्रिया(interaction) ज्या गोष्टी करतात त्यांना वस्तुमान प्राप्त होतं.हे हिग्ज फिल्ड सर्वत्र पसरलेलं आहे ज्यामुळे प्रत्येक गोष्टीला स्वतः च वस्तुमान आहे.अणुमध्ये केंद्रकात म्हणजेच न्युक्लियस मध्ये प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन असतात.पूर्वी वाटत असे की हेच मुलभुत कण आहेत पण आता असं सिद्ध झालं आहे की प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन हे क्वार्क नावाच्या कणापासून बनलेले असतात.या क्वार्क ना सुद्धा वस्तुमान असतं.जेव्हा इतरांसोबत तुलना केली तेव्हा दिसून आलं की केंद्रकाभोवती फिरणाऱ्या इलेक्ट्रॉन पेक्षा या क्वार्क च वस्तुमान जास्त असतं भले या दोघांचा आकार सारखा असला तरी.वर सांगितल्या प्रमाणे जे या फिल्ड सोबत इंटरॅक्ट करतात त्यांना वस्तुमान प्राप्त होतं.यात असंही आहे की जो कण जास्त इंटरॅक्ट करतो त्याचं वस्तुमान जास्त असतं तर जो कण कमी इंटरॅक्ट करतो त्याचं वस्तुमान कमी असतं.त्यामुळेच क्वार्क आणि इलेक्ट्रॉन चा आकार जवळपास सारखा असूनही त्यांच्या वस्तूमानात प्रचंड तफावर आहे.
    मॅक्स प्लांक या भौतिकशास्त्रज्ञाने असं सिद्ध केलं की प्रकाश हा जसा लहारींच्या स्वरुपात असतो तसाच तो कण स्वरूपही असतो.त्या कणांना त्याने फोटॉन म्हटले.फोटॉन म्हणजे उर्जेचे पुंजके.प्रयोगांती असं निदर्शनास आलं की हे फोटॉन कण हे वस्तुमानविरहित असतात.म्हणजे याचा अर्थ असा लावता येऊ शकतो की फोटॉन हे हिग्ज फिल्ड सोबत अन्योन्यक्रिया करत नाही.कारण वर बघितले की जे कण हिग्ज फिल्ड सोबत इंटरॅक्ट करतो त्याला वस्तुमान प्राप्त होते आणि ज्या अर्थी फोटॉन ला वस्तुमान नाही त्या अर्थी तो फील्ड सोबत इंटरॅक्ट करत नाही.
     डेव्हिड मिलर यांनी याविषयी एक छोटे उदाहरण दिले आहे.समजा की एका मोठ्या सभागृहात एका राजकीय पक्षाचे कार्यकर्ते जमले आहेत.हा जमाव म्हणजे हिग्ज फिल्ड.तर अशा वेळी तेथे पंतप्रधानांचे आगमन झाले.तर ते ज्या ज्या कार्यकर्त्यांच्या जवळून जातील ते ते कार्यकर्ते त्यांच्याकडे आकर्षित होऊन त्यांच्याभोवती गोळा होतील.याचप्रकारे हिग्ज फिल्ड मध्ये जेव्हा एखादा कण वावरतो तेव्हा त्याच्याभोवती असा फिल्ड चा पुंजका जमा होऊन त्या कणाला वस्तुमान प्राप्त होतं.त्याचं इंटरॅकशन जेवढं जास्त तेवढं वस्तुमान जास्त आणि जेवढं इंटरॅकशन कमी तेवढं वस्तुमान कमी.

भाग २: हिग्ज बोसॉन कण (Higgs Boson particle)

     हिग्ज बोसॉन (ज्याचा अमेरिकी उच्चार बोझॉन असाही होतो) म्हटल्यावर आपल्याला प्रथम दर्शनी फारसा काही अर्थबोध होत नाही.आधीच्या भागात वाचल्यामुळे लक्षात येईल की यातला हिग्ज हा शब्द हिग्ज फिल्ड किंवा हिग्ज पार्टिकल ज्याने शोधले त्या पीटर हिग्ज यांच्या नावावरून आला आहे,पण बोसॉन म्हणजे काय ?
बोसॉन या कणाला बोसॉन हे नाव भारतीय शास्त्रज्ञ सत्येन्द्रनाथ बोस यांच्या नावावरून (आडनावावरून),त्यांच्या स्मृती प्रीत्यर्थ दिले गेले आहे.याचा गुणधर्म सांगायचा तर कोणत्याही पदार्थाला अथवा कशालाही त्याचे स्वतःचे वजन किंवा वस्तुमान हे हिग्ज-बोसॉन शिवाय मिळत नाही.संशोधकांनी जे अनेकानेक मूलकण शोधले आहेत आजपर्यंत त्या सर्वांची विभागणी केली आहे(यापुढील स्वतंत्र लेख मूलकण याच विषयावर आहे).यापैकी एक प्रकार म्हणजे बोसॉन.
     पुंजभौतिकी म्हणजेच quantum mechanics मध्ये 'पदार्थाचा स्पिन' असा एक प्रकार असतो.म्हणजे जसे पृथ्वी स्वतःभोवती म्हणजे आपल्या अक्षाभोवती फिरते तसेच हे मूळकण स्वतः भोवती फिरतात.पृथ्वी किंवा आपण स्वतः,स्वतः भोवती ३६० अंशामध्ये एकदा फिरलो की आपण समजतो की एक फेरी पूर्ण झाली म्हणजे आपण मूळ स्थती प्राप्त केली म्हणजेच एक स्पिन पूर्ण केला.असच या कणांच्या बाबतीत असतं.यात काही विचित्र गोष्टीही दिसून येतात.इलेक्ट्रॉन चे उदाहरण आपण घेऊ.इलेक्ट्रॉन जेव्हा स्वतः भोवती एकदा ३६०° मधून फिरतो तेव्हा खरे तर इतरांप्रमाणे त्याची स्वतः भोवती ची एक फेरी पूर्ण व्हायला हवी पण तसे न होता त्याची अर्धीच फेरी पूर्ण होते त्यामुळे तो जेव्हा अजुन एकदा ३६०° मधून स्वतःभोवती फिरतो तेव्हा त्याचा एक स्पिन पूर्ण होतो.असे जे कण असतात ज्यांचा स्पिन स्वाथभोवती दोन प्रदक्षिणा मारल्यावर पूर्ण होतो त्या पदार्थांना 'फर्मीऑन' असे म्हटले जाते.हे नाव एनरिको फर्मी या शास्त्रज्ञाच्या नावावरून दिले गेले आहे.फर्मीऑन कणांचे एक स्वांगभ्रमण हे अर्धे असते त्यामुळे सर्व फर्मीऑन चा स्पिन हा अपूर्णांकात दर्शविला जातो,जसे की 1/2,3/3/5/2 वगैरे.आपल्याला माहिती असलेले इलेक्ट्रॉन,प्रोटॉन, न्यूट्रॉन सारखे कण हे फर्मीऑन कण आहेत.या विरुद्ध असे सामान्य कण असतात जे आपल्यासारखे एकाच फेरीत स्वतःचे स्वांगभ्रमण म्हणजे एक स्पिन पूर्ण करतात,त्यांना बोसॉन म्हटले जाते.बोसॉन कणांचा स्पिन हा नेहमी सारखा पूर्णांकात 1,2,3,4 असा दर्शविला जातो.म्हणजेच एक फेरी पूर्ण केली की ते मूळ स्थितीत येतात.
      आता बोसॉन विषयी माहिती घेऊ.वर सांगितल्या प्रमाणे बोसॉन चा स्पिन हा पूर्णांक स्वरूपात असतो.बोसॉन शिवाय वस्तुमान निर्माण तर होऊ शकत नाहीच पण त्याचमुळे कोणत्याही पदार्थाला वस्तुमान प्राप्तही होऊ शकत नाही.म्हणूनच जर बोसॉन कण नसते तर काहीच नसते. जे असते ते वजनरहित अवस्थेत इतरत्र प्रकाशाच्या वेगाने फोटॉन सारखे फिरत राहिले असते.म्हणून बोसॉन आणि बोसॉन चा शोध महत्वाचा याचसाठी होता.यापूर्वी सांगितल्याप्रमाणे लेडरमन यांनी या कणाचा उल्लेख वैतागून 'गॉड डॅम पार्टिकल' असा केला,पण प्रसार माध्यमांनी फक्त गॉड हा शब्द उचलून या पदार्थाचे 'गॉड पार्टिकल' म्हणजे 'देव कण' असे नाव पसरवले. खरेतर हा कण देव कण नाही कारण या कणामुळे आपल्याला कोणत्याही मूलभूत गोष्टींचा उलगडा होत नाही त्यामुळे हा गूढही नाही आणि देवाप्रमाणे (देऊळ बंद नावाच्या चित्रपटात उल्लेख केल्याप्रमाणे) अगम्यही नाही.फक्त तो अस्थिर आहे.त्याचे अस्तित्व हे काही क्षणापुरते असते आणि त्याचा र्हास होतो.हिग्ज हा सुद्धा एक कण आहे जो बोसॉन प्रकारचा आहे म्हणजेच त्याचा स्पिन हा पूर्णांक आहे,हिग्ज चे कार्य असे की तो वस्तूमान वाहक म्हणजेच mass carrier कण आहे,जो स्वतः इतरांना वस्तूमान प्रदान करतो.

हिग्ज-बोसॉन कणाचा शोध -

स्वित्झर्लंड आणि फ्रांस च्या बॉर्डर वर एक भव्य अशी प्रयोगशाळा म्हणजेच एक कोलायडर उभारला गेला आहे.याचा उपयोग म्हणजे थोडक्यात यामध्ये विविध कणांच्या टकरी घडवून म्हणजे कण एकमेकांवर कोलाइड करून नवनवीन कण मिळवून विश्वोत्पत्तीचे रहस्य शोधण्याचा प्रयत्न केला जातो.या कोलायडर ला 'लार्ज हैड्रॉन कोलायडर' म्हणजे 'LHC' असे म्हणतात.हा प्रकल्प उभारण्यासाठी १० मिलियन डॉलर एवढा अफाट खर्च केला गेलेला आहे आणि हा संपूर्ण बनायला १० वर्षे लागली होती.
ज्यावेळी हिग्ज बोसॉन कणाचा र्हास होतो तेव्हा त्यातून क्वार्क आणि प्रोटॉन हे दोन कण बाहेर पडतात.यातल्या प्रोटॉन चा आपल्याला उपयोग असतो.आपल्याला माहीत आहे की विश्वात बहुतेक सर्वात जास्त हायड्रोजन चे प्रमाण अधिक आहे.त्यात असलेल्या प्रोटॉन चे अस्तित्व कोठुन तरी हिग्ज बोसॉनमुळे असणार असा अंदाज शास्त्रज्ञाना होता.पण प्रयोगासाठी पूर्ण हायड्रोजन अणू घेतला तर त्यात प्रोटॉन सोबत इलेक्ट्रॉनही येणार पण आपल्याला तसे नको होते म्हणून त्यांनी त्याचे रूपांतर छोट्या छोट्या आयन मध्ये करून प्रोटॉन वेगळे घेतले.
हा कोलायडर हा गोलाकार एखाद्या नळीसारखा आहे,त्यामध्ये दोन कण विरुद्ध बाजूने एकमेकांवर आदळले जातात,असेच यामध्ये प्रोटॉन ट्रिलियन च्या संख्येने फिरवले गेले.आणि यांचे गट करुन ते विरुद्ध दिशेने एकमेकांवर सोडले.असे करतात त्यांचा वेग वाढवत नेला जो एक विशिष्ट वेळी तो प्रकाशाच्या वेगाच्या १ टक्क्यांवर आला.म्हणजे हा वेग प्रतिसेकंदाला ११००० फेऱ्या एवढा झाला.एवढ्या प्रचंड क्षमतेने जेव्हा हे कण एकमेकांवर कोलाइड झाले तेव्हा त्यातून छोट्या छोट्या आगीच्या गोळ्यांच्या रुपात अवशेष म्हणजेच by product मिळाले त्यातल्या काही थोड्या गोळ्यामध्ये कुठेतरी थोडे हिग्ज बोसॉन कण सापडले.

संशोधकांनी या शोधापूर्वी हिग्ज बोसॉन कणासाठी जे निष्कर्ष किंवा परिमाणे ठरवली होती त्यामध्ये हे सापडलेले हे कण तंतोतंत बसत होते,त्याचमुळे हेच कण हिग्ज बोसॉन कण आहेत हे सिद्ध झालं.

४ जुलै २०१२ या दिवशी सर्न या प्रयोगशाळेतील संशोधकांनी हिग्ज बोसॉन सापडल्याचे जाहिर केले आणि त्या वेळी याचे मुख्य प्रणेते पीटर हिग्ज त्या ठिकाणी उपस्थित होते !

©पुष्कराज घाटगे