2008 में वापस, दुनिया के सबसे शक्तिशाली कण त्वरक, लार्ज हैड्रोन कोलाइडर (LHC) के चारों ओर प्रोटॉन का एक बीम पहले लगा। अब, एक दशक बाद, हमने इस सुविधा के लिए जो कुछ सीखा है, उसका जायजा लेने का समय है और आगे क्या है।
इस लेखांकन में भविष्य के अनुसंधान दोनों शामिल हैं जो एलएचसी नई सुविधाओं का संचालन और संभव कर सकता है जो एलएचसी को प्राप्त करने से परे ऊर्जा पर कणों से टकरा सकते हैं। एलएचसी के लिए दो, या शायद तीन, संभव प्रतिस्थापन प्रस्तावित किए गए हैं। तो, आइए समीक्षा करें कि हम कहां हैं और हम पिछले एक दशक में कहां आए हैं।
एलएचसी की कहानी लंबी और अशांत दोनों है, संचालन के पहले दिनों में विनाशकारी क्षति से लेकर उपकरण के विशाल चुम्बकों तक की घटनाओं के साथ, उस त्रासदी से एक फोनिक्स जैसी वृद्धि के बाद, ठोस और रोमांचक खोजों के बाद, जिसमें खोज भी शामिल है हिग्स बोसोन। उस खोज ने पीटर हिग्स और फ्रैंकोइस एंगलर्ट को नोबेल पुरस्कार मिला, क्योंकि उन्होंने आधी सदी पहले कण का अनुमान लगाया था। दुनिया में कण भौतिकी की खबरों का उत्साहपूर्वक पालन करना असामान्य है, लेकिन हिग्स की खोज की घोषणा ने दुनिया भर में समाचार प्रसारित किया।
नई भौतिकी खोजना
भौतिक विज्ञानी भी अपनी सीटों के किनारे पर थे, यह इंतजार करते हुए कि उन्हें उम्मीद है कि अप्रत्याशित खोज होगी। लगभग आधी शताब्दी से, वैज्ञानिकों को उप-परमाणु पदार्थ के व्यवहार की वर्तमान सैद्धांतिक समझ थी। इस समझ को कण भौतिकी का मानक मॉडल कहा जाता है।
मॉडल अणु और सामान्य पदार्थ के परमाणुओं और यहां तक कि सबसे छोटे ज्ञात बिल्डिंग ब्लॉक्स के देखे गए व्यवहार की व्याख्या करता है। इन कणों को क्वार्क और लेप्टन कहा जाता है, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के अंदर पाए जाने वाले क्वार्क के साथ परमाणु के नाभिक शामिल होते हैं और इलेक्ट्रॉनों के साथ सबसे परिचित लिप्टन होते हैं। स्टैंडर्ड मॉडल गुरुत्वाकर्षण को छोड़कर सभी ज्ञात बलों के व्यवहार की व्याख्या करता है। यह वास्तव में एक असाधारण वैज्ञानिक उपलब्धि है।
हालाँकि, मानक मॉडल सैद्धांतिक भौतिकी में सभी चीजों की व्याख्या नहीं करता है। यह व्याख्या नहीं करता है कि क्वार्क और लेप्टान तीन अलग-अलग क्यों पाए जाते हैं, लेकिन लगभग समान विन्यास, जिसे पीढ़ियों कहा जाता है। (तीन क्यों? दो क्यों नहीं? या चार? या एक? या 20?) यह मॉडल यह नहीं समझाता है कि हमारा ब्रह्मांड पूरी तरह से क्यों बना है, जब अल्बर्ट आइंस्टीन के सापेक्षता के सिद्धांत की सरलतम समझ यह कहती है कि ब्रह्मांड में भी होना चाहिए एंटीमैटर की बराबर मात्रा।
स्टैंडर्ड मॉडल यह नहीं समझाता है कि ब्रह्मांड के अध्ययन से यह पता चलता है कि परमाणुओं का साधारण पदार्थ ब्रह्मांड के द्रव्य और ऊर्जा का मात्र 5 प्रतिशत बनाता है। शेष को डार्क मैटर और डार्क एनर्जी से युक्त माना जाता है। डार्क मैटर पदार्थ का एक रूप है जो केवल गुरुत्वाकर्षण का अनुभव करता है और अन्य मूलभूत बलों में से कोई भी नहीं, जबकि डार्क एनर्जी प्रतिकर्षण गुरुत्वाकर्षण का एक रूप है जो ब्रह्मांड को पार कर जाता है।
LHC के पहले ऑपरेशन से पहले, मेरे जैसे भौतिकविदों को उम्मीद थी कि एटम स्मैशर हमें इन सवालों के जवाब देने में मदद करेगा। उन पहेलियों को समझाने के लिए सबसे सामान्य रूप से उद्धृत उम्मीदवार सिद्धांत को सुपरसिमेट्री कहा जाता था। यह बताता है कि सभी ज्ञात उप-परमाणु कणों में "सुपरपार्टनर" समकक्ष कण होते हैं। ये बदले में, काले पदार्थ के लिए एक स्पष्टीकरण प्रदान कर सकते हैं और कुछ अन्य सवालों के जवाब दे सकते हैं। हालाँकि, भौतिकविदों ने किसी सुपरस्मेट्री का अवलोकन नहीं किया है। क्या अधिक है, एलएचसी डेटा ने सुपरसिमेट्री को शामिल करने वाले सबसे सरल सिद्धांतों को खारिज कर दिया है। तो, एलएचसी ने क्या पूरा किया है?
एलएचसी ने बहुत कुछ किया है
खैर, उस पूरे हिग्स बोसोन से अलग, एलएचसी ने अपने चार बड़े प्रयोगात्मक सहयोगों को डेटा खिलाया है, जिसके परिणामस्वरूप 2,000 से अधिक वैज्ञानिक पत्र हैं। एलएचसी के अंदर, कणों को एक-दूसरे पर ऊर्जा में धमाके से उड़ाया गया है जो फ़र्मिलाब टेवट्रॉन द्वारा हासिल किए गए 6.5 गुना अधिक हैं, जो कि एक चौथाई सदी तक दुनिया के सबसे शक्तिशाली कण त्वरक का शीर्षक था, जब तक कि एलएचसी ने मुकुट नहीं लिया।
स्टैंडर्ड मॉडल के ये परीक्षण बहुत महत्वपूर्ण थे। उनमें से कोई भी माप भविष्यवाणियों से असहमत हो सकता है, जिसके कारण एक खोज हुई होगी। हालांकि, यह पता चलता है कि स्टैंडर्ड मॉडल एक बहुत अच्छा सिद्धांत है, और यह एलएचसी टक्कर ऊर्जाओं पर सटीक भविष्यवाणियों के रूप में बना है जैसा कि पहले टेवाट्रॉन में ऊर्जा के स्तर के लिए किया था।
तो, क्या यह एक समस्या है? बहुत वास्तविक अर्थों में, उत्तर नहीं है। आखिरकार, विज्ञान गलत नए विचारों के परीक्षण और अस्वीकार के बारे में उतना ही है जितना कि सही लोगों को मान्य करने के बारे में है।
दूसरी ओर, इस बात से कोई इंकार नहीं है कि वैज्ञानिक ऐसी घटनाओं को खोजने के लिए अधिक उत्साहित होंगे जो पहले अनुमान नहीं लगाए गए थे। उस प्रकार की खोज मानव ज्ञान को बढ़ाती है, पाठ्यपुस्तकों के पुनर्लेखन में परिणत होती है।
एलएचसी की कहानी खत्म नहीं हुई है
तो अब क्या? क्या एलएचसी ने अपनी कहानी हमें बताई है? मुश्किल से। वास्तव में, शोधकर्ता उन उपकरणों में सुधार करने के लिए उत्सुक हैं जो उन्हें उन सवालों का अध्ययन करने में मदद करेंगे जो वे वर्तमान तकनीक का उपयोग करके संबोधित नहीं कर सकते हैं। एलएचसी दो साल के रिफर्बिशमेंट और अपग्रेड के लिए दिसंबर 2018 की शुरुआत में बंद हो गया। जब त्वरक 2021 के वसंत में संचालन शुरू करता है, तो यह ऊर्जा में मामूली वृद्धि के साथ लौटेगा लेकिन प्रति सेकंड टकराव की संख्या को दोगुना कर देगा। भविष्य के नियोजित उन्नयन को ध्यान में रखते हुए, एलएचसी के वैज्ञानिकों ने अब तक अपेक्षित डेटा का केवल 3 प्रतिशत दर्ज किया है। जबकि सभी निष्कर्षों के माध्यम से झारना करने में कई साल लगेंगे, वर्तमान योजना की तुलना में लगभग 30 गुना अधिक डेटा रिकॉर्ड किया गया है। इतना अधिक डेटा आने के लिए, LHC के पास अभी भी बहुत सी कहानी है।
फिर भी, जबकि LHC शायद दूसरे 20 वर्षों तक काम करेगा, यह पूछना भी पूरी तरह से उचित है, "आगे क्या है?" कण भौतिक विज्ञानी LHC को बदलने के लिए एक अनुवर्ती कण त्वरक के निर्माण के बारे में सोच रहे हैं। एलएचसी परंपरा के बाद, एक संभावना मन-विरोधी ऊर्जा पर एक साथ प्रोटॉन के बीम से टकराएगी - 100 ट्रिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट (टीईवी), जो एलएचसी की 14 टीवी की शीर्ष क्षमता से बहुत बड़ा है। लेकिन उन ऊर्जाओं को पूरा करने के लिए दो चीजों की आवश्यकता होगी: सबसे पहले, हमें मैग्नेट बनाने की आवश्यकता होगी जो एलएचसी के चारों ओर कणों को धक्का देने वाले लोगों की तुलना में दो गुना शक्तिशाली हैं। यह चुनौतीपूर्ण लेकिन प्राप्य माना जाता है। दूसरा, हमें एक और सुरंग की आवश्यकता होगी, जो एलएचसी की तरह है, लेकिन अच्छी तरह से तीन गुना बड़ी है, 61 मील (100 किलोमीटर) की बॉलपार्क परिधि के साथ, जो एलएचसी से लगभग चार गुना बड़ी है।
लेकिन इस बड़ी सुरंग का निर्माण कहां होगा, और यह वास्तव में कैसा दिखेगा? क्या बीम टकराएंगे और किस ऊर्जा पर? खैर, वे अच्छे सवाल हैं। हम उत्तर पाने के लिए डिज़ाइन और निर्णय लेने की प्रक्रिया में बहुत दूर नहीं हैं, लेकिन भौतिकविदों के दो बहुत बड़े और निपुण समूह हैं जो मुद्दों के बारे में सोचते हैं, और उन्होंने प्रत्येक ने एक नए त्वरक के लिए एक प्रस्ताव तैयार किया है। यूरोपीय अनुसंधान समूहों द्वारा संचालित प्रस्तावों में से एक, एक बड़े अतिरिक्त त्वरक के निर्माण की कल्पना करता है, सबसे अधिक संभावना यह है कि जिनेवा के बाहर सर्न प्रयोगशाला में स्थित है।
एक विचार के तहत, वहाँ एक सुविधा इलेक्ट्रॉनों और एंटीमैटर इलेक्ट्रॉनों के एक बीम से टकराएगी। इलेक्ट्रॉनों की तुलना में प्रोटॉन को तेज करने के बीच अंतर के कारण - एक इलेक्ट्रॉन बीम एक प्रोटॉन बीम की तुलना में परिपत्र संरचना के चारों ओर अधिक ऊर्जा खो देता है - यह बीम 61-मील-लंबी सुरंग का उपयोग करेगा, लेकिन अगर यह प्रोटॉन थे तो कम ऊर्जा से संचालित होते हैं। एक अन्य प्रस्ताव प्रोटॉन के बीमों को टकराने के लिए एक ही 61 मील लंबे त्वरक का उपयोग करेगा। एक अधिक विनम्र प्रस्ताव वर्तमान LHC सुरंग का पुन: उपयोग करेगा लेकिन अधिक शक्तिशाली मैग्नेट के साथ। यह विकल्प केवल टकराव की ऊर्जा को दोगुना करेगा जो एलएचसी अब कर सकता है, लेकिन यह कम खर्चीला विकल्प है। एक अन्य प्रस्ताव, मोटे तौर पर चीनी शोधकर्ताओं द्वारा चैंपियन, एक पूरी तरह से नई सुविधा की कल्पना करता है, संभवतः चीन में बनाया गया है। यह त्वरक लगभग 20 मील की दूरी पर होगा, और यह लगभग 2040 में प्रोटॉन-प्रोटॉन टकरावों पर स्विच करने से पहले इलेक्ट्रॉन और एंटीमैटर इलेक्ट्रॉनों को एक साथ टकराएगा।
ये दो संभावित परियोजनाएं अभी भी बात कर रही हैं। आखिरकार, इन प्रस्तावों को बनाने वाले वैज्ञानिकों को विधेयक को तैयार करने के लिए सरकार या सरकारों के समूह का पता लगाना होगा। लेकिन ऐसा होने से पहले, वैज्ञानिकों को इन नई सुविधाओं को संभव बनाने के लिए आवश्यक क्षमताओं और प्रौद्योगिकियों को निर्धारित करने की आवश्यकता है। दोनों समूहों ने हाल ही में अपने डिजाइनों के बारे में व्यापक और गहन प्रलेखन जारी किया। यह उनकी प्रस्तावित सुविधाओं का निर्माण करने के लिए पर्याप्त नहीं है, लेकिन यह दोनों भविष्य की प्रयोगशालाओं के अनुमानित प्रदर्शनों की तुलना करने और विश्वसनीय लागत भविष्यवाणियों को एक साथ रखना शुरू करने के लिए पर्याप्त है।
ज्ञान की सीमा की जांच करना एक कठिन प्रयास है, और इस परिमाण की सुविधा के निर्माण के संचालन के माध्यम से, इस परिमाण के निर्माण के पहले सपने से कई दशक लग सकते हैं। जैसा कि हम एलएचसी में पहली बीम की 10 साल की सालगिरह को चिह्नित करते हैं, यह इस बात का जायजा लेने के लायक है कि क्या सुविधा संपन्न है और भविष्य क्या लाएगा। यह मुझे लगता है कि वैज्ञानिकों की अगली पीढ़ी के अध्ययन के लिए रोमांचक डेटा होगा। और शायद, बस हो सकता है, हम प्रकृति के आकर्षक रहस्यों के कुछ और सीखेंगे।
डॉन लिंकन भौतिकी के एक शोधकर्ता हैं Fermilab। वह "के लेखक हैंद बिग हैड्रॉन कोलाइडर: हिग्स बोसोन और अन्य सामग्री की असाधारण कहानी जो आपके दिमाग को उड़ा देगी"(जॉन्स हॉपकिन्स यूनिवर्सिटी प्रेस, 2014), और वह विज्ञान शिक्षा की एक श्रृंखला का उत्पादन करता है वीडियो। उसका पीछा करो फेसबुक पर। इस टिप्पणी में व्यक्त की गई राय उनकी हैं।
डॉन लिंकन ने इस लेख को लाइव साइंस के लिए योगदान दिया विशेषज्ञ आवाज़ें: ऑप-एड और अंतर्दृष्टि।
