நுண் துகள் உலகம்

M.முஹம்மது யூசுஃப்

ஜான் டால்டன் அணுவைப்பிளக்க முடியாது என்ற அனுமானக் கோட்பாட்டினை கூறினார்.
1939 ஆம் ஆண்டு ஸ்ட்ராஸ்மான், ஆட்டோஹான் இருவரும் அணுவைப் பிளக்க முடியும் என கண்டுபிடித்தனர்.
இப்படியாக அணுவைப் பிளந்த நாம் எலக்ட்ரான், புரோட்டான், நியூட்ரான் ஆகிய துகள்களைப் பெற்றோம். இவற்றைப் பிளக்க முடியுமா? அடிப்படைத் துகள்(கள்) எது/எவை? அனைத்திற்கும் ஆதியான நுண் துகள்கள் எவை? என்ற கேள்விகள் நம்முள் எழுந்தன. அவற்றுக்கும் விஞ்ஞானிகள் விடையளித்துவிட்டனர்.
நாம் பார்த்துக்கொண்டிருக்கும் உலகிலிருந்து முற்றிலும் வேறுபட்டு தனக்கென தனி உலகையே அமைத்துக்கொண்டுள்ளன நுண் துகள்கள். அந்த நுண் துகள் உலகின் வடிவமைப்பைப் பற்றிய சிறிய கண்ணோட்டம் இங்கே…
The standard model ஏறக்குறைய 200 முதல் நிலை துகள்களை வரையறுத்துள்ளது. இவைகள் அனைத்தும் 6 குவார்க்குகள், 6 லெப்டான்கள் மற்றும் சில விசை சுமக்கும் துகள்கள் (Force-carrying particles) விகிதாச்சார கலவைகளே ஆகும்.
நால்வகை விசைகள் நாமறிந்தவை. அவை ஒவ்வொன்றும் அடிப்படை துகள்களால் வழிநடத்தப்படுகின்றன.
[குறிப்பு: இங்கு குவாண்டம் என்பது சுமக்கும் துகள் (Carrier particle) ஆகும்.]
விசை துகள்/ குவாண்டம் சார்பு வலிமை(Relative strenght) வீச்சு (மீட்டர்)
வன்விசை குளுவான் 1 10-15
மின்காந்த விசை ஃபோட்டான் 7X10-3 முடிவிலி
மென்விசை (W,W-,Z) 10-5 10-7
நிறையீர்ப்பு விசை கிராவிடான்(Tentative) 6X10-39 முடிவிலி
இவற்றில் fபோட்டான் மற்றும் கிராவிடான் ஆகியவை நிறையற்றவை. குளுவான் மற்றும் மென்விசை குவாண்டம் துகள்கள் நிறையுடையவை. இவற்றின் நிறைகள் முறையே 0.14 Gev மற்றும் 80-90 Gev (Giga electron volts or Billion electron volts).
இந்த Standard model-ல் நிறையீர்ப்பு விசையை ஆய்விர்க்கான கருதுகோளாக இணைத்திருக்கிறார்கள். கிராவிடான் என்பது கண்டறிய இயலாதது.
மின்காந்த மற்றும் நிறையீர்ப்பு விசைகள் தொலைவின் இருமைக்கு எதிர்தகவில்(கூலும் விதி) செயல்படுகின்றன. இவைகளுக்கு எல்லை இல்லை. ஆனால் வன் மற்றும் மென் உட்கரு விசைகள் அவற்றைவிட குறுகிய வீச்சில் செயல்படுகின்றன.
அணுத்துகள்களை அடிப்படை துகள் மற்றும் கலவைத் துகள் (Fundamental and Composite) என வரையறுக்கலாம். புரோட்டான் மற்றும் நியூட்ரான் ஆகியவை கலவை துகள்களாகும். (ஒரு புரோட்டான் எலக்ட்ரானைப்போல 1800 மடங்கு அதிக நிறை கொண்டது). துகள்களின் அடிப்படை பொருள் என்பது குவார்க்குகள் மற்றும் லெப்டான்கள் ஆகும்.

6 வகை குவார்க்குகள்

குவார்க் நிறை(Gev) மின்னூட்டம்
UP 0.003 +2/3
DOWN 0.006 -1/3
CHARM 1.3 +2/3
STRANGE 0.1 -1/3
TOP 175 +2/3
BOTTOM 4.3 -1/3
இவற்றில் Top குவார்க் அதிக நிறையுடையது. இது ஓர் வெள்ளி அணுவின் நிறைக்கு சமமானது, நிலையற்றது. உட்கரு வன்விசை மிக வலிமையானது. ஆகவே, ஒரு குவார்க்கினை தனியாக பிரிக்க இயலாது. கலவை துகள்களின் சிதைவு வீதத்திலிருந்து குவார்க்குகளின் இருப்பை உணரமுடிகிறது. கனமான குவார்க்குகள் இலேசான குவர்க்குகளாக சிதைவடைவதை உட்கரு மென்விசைகள் கட்டுப்படுத்துகின்றன.

6 வகை லெப்டான்கள்

லெப்டான் நிறை(Gev) மின்னூட்டம்
எலக்ட்ரான் 5.11X10-4 -1
எலக்ட்ரான் நியூட்ரினோ <10-8 0 மியூவான்(Muon) 0.106 -1 மியூவான் நியூட்ரினோ(Muon nutrino) <3X10-4 0 டவ் ஆன் (Tauon) 1.78 -1 டவ் ஆன் நியூட்ரினோ <3.3X10-2 0 இவற்றில் லெப்டான்களை தனிமைப்படுத்தி காண இயலலாம். ஆனால் குவார்க்குகளை அவ்வாறு செய்ய இயலாது. மேற்கண்ட அட்டவணைகள் இரண்டிலும் முதலில் காணப்படும் இரு வகைகளும் (Up, Down & Electron,Electron nutrino) முதல் தலைமுறை பொருள். இரண்டாவது ஜோடிகள் நாங்உம் இரண்டாம் தலைமுறை மற்றும் மூன்றாவது ஜோடிகள் நாங்உம் மூன்றாம் தலைமுறை பொருள் எனப்படும். இவற்றில் முதல் தலைமுறை மிக குறைந்த நிறையும் அதிக நிலைப்புத்தன்மையும் உடையவை. இப்பிரபஞ்சத்திலுள்ள மிகப்பெரும்பாலான பொருட்கள் முதல் தலைமுறையால் ஆனவை. ஏனெனில் 2-ம் மற்றும் 3-ம் தலைமுரை பொருட்கள் நிலைப்புத்தன்மையற்றவை. அனைத்து அணுத்துகள்களும் Spin எனப்படும் தற்சுழற்சி இயக்கம் கொண்டவை. அவை 1/2 சுழற்சி அல்லது முழு எண் சுழற்சி கொண்டவை. அடிப்படைத்துகள் மற்றும் சுமக்கும் துகள் ஆகிய இரண்டின் சுழற்சி இயக்கமும் அவற்றின் ஆற்றல் பங்கீட்டின்படி நிர்ணயிக்கப்படுகின்றன. தற்சுழற்சி எண்ணின் அடிப்படையில் இவை போஸ்-ஐன்ஸ்டீன் (Bosons) அல்லது ஃபெர்மி-டிராக் (Fermions) என பிரிக்கப்படுகின்றன. 1/2 சுழற்சி உடையவை ஃபெர்மியான்களாகும் இவை பௌலியின் தவிர்க்கை தத்துவத்திற்குட்பட்டவைகளாகும். மற்றவை போஸான்களாகும். குவாண்டம் ஆற்றல் பங்கீடு துகள்கள் சுழற்சி புள்ளியியல் பௌலியின் தவிர்க்கை தத்துவம் ஃபெர்மியான்கள் 1/2 ஃபெர்மி-டிராக் உட்பட்டவை போஸான்கள் 0,1(or) 2 போஸ்-ஐன்ஸ்டீன் உட்படாதவை அனைத்து பொருட்களின் மீதும் உட்கரு மென்விசை செயல்படுகிறது. பொருள் துகள்கள் மீது உட்கரு வன்விசைகள் மட்டுமே செயல்படுகின்றன. இது ஹேட்ரான்கள் (Hadrons) எனப்படுகிறது இவை லெப்டான்களிலிருந்து வேருபட்டவை. உட்கரு வன்விசைகள் ஹேட்ரான்கள் மீது செயல்படுகிறது. ஆனால், லெப்டான்கள் மீது செயல்படுவதில்லை.(எலக்ட்ரான் வன்விசைகளால் பாதிக்கப்படுவதில்லை) உட்கரு மென்விசைகள் ஹேட்ரான்கள் மற்றும் லெப்டான்கள் மீதும் செயல்படுகிறது. இருவகை ஹேட்ரான்கள் உள்ளன. அவை 1.பேரியான்கள் (Baryons) 2.மீஸான்கள் (Mesons) ஒரு பேரியான் 3 குவார்க்குகளால் ஆனது. ஒரு மீஸான் ஒரு குவார்க் மற்றும் ஒரு எதிர் குவார்க் (Anti Quark) கினால் ஆனது. பேரியான்கள் மற்றும் லெப்டான்கள் ஆகியவை ஃபெர்மியான்கள் (1/2 spin) ஆகும். மீஸான்கள் மற்றும் விசை சுமக்கும் துகள்கள் (Force carrier particle) ஆகியவை போஸான்களாகும். ஹேட்ரான்கள் குளுவான்களால் பிணைக்கப்பட்டுள்ளன. அதிக எண்ணிக்கையிலான குளுவான்கள் குவார்க்குகளுக்கு இடையே பரிமாறிக்கொள்ளப்படுகின்றன. இதுவே வலிமையான பிணைப்பு விசையாகும். புரோட்டான் மற்றும் நியூட்ரான்கள் மிக முக்கியமான பேரியான்களாகும். இவைகள் இலேசான மற்றும் அதிக நிலைத்தன்மையுடைய (Up & Down) குவார்க்குகளால் ஆனதால் அதிக நிலைப்புத்தன்மை கொண்ட துகள்களாகும். ஒரு புரோட்டான் 2 Up மற்றும் 1 Down குவார்க்கினால் ஆனது. ஒரு நியூட்ரான் 2 Down மற்றும் 1 Up குவார்க்கினால் ஆனது. குளுவான்கள் பறிமாற்றம் புரோட்டான் மற்றும் நியூட்ரான்களுக்கு உள்ளேயே நிகழ்கிறது. இந்த வன்விசையே (குளுவான்கள் தான் வன்விசை சுமை துகள்கள்) உட்கருவின் ஒழுங்கமைப்பிற்கு காரணம். இதன் விளைவாக பையான் (Pion) துகள்கள் புரோட்டான் மற்றும் நியூட்ரான்களுக்கு இடையே பறிமறிக்க்கொள்ளபடுகின்றன. குவார்க் அல்லது எதிர்-குவார்க்குகளை இணைக்கும் போது குளுவான்கள் ஒரு குழல் போல பிணைந்து காணப்படுகிறது. குளுவான்கள் மட்டும் ஈடுபடும் இந்த ஒழுங்கற்ற கூட்டிற்கு Glue balls என்று பெயர். இரண்டு மதிப்பு கொண்ட (+,-) மின்னூட்டத் (Electrical charge) திற்கு இணையாக குவார்க் மற்றும் குவார்க்குகளை ஒன்றாக இணைக்கும் சக்தியான குளுவான்களுடன் சேர்ந்து மின்காந்தவிசை மூன்று மதிப்பு கொண்ட வண்ண மின்னூட்டமாக உள்ளது. மும்மதிப்பு மின்னூட்டம் சிவப்பு, பச்சை மற்றும் நீலம் ஆகும். இவை கண்ணுக்குப் புலப்படும் வண்ணங்கள் அல்ல, மாறாக வண்னங்களின் ஒப்புமை அடிப்படையிலான ஒருவகை மின்னூட்டங்களாகும். நேர்மின்னூட்டத்தையும் எதிர்மின்னூட்டத்தையும் ஒன்றுசேர்த்தோமானால் நடுநிலை மின்னூட்டம் (Neutral charge) கிடைக்கிறது. அதைப் போல சிவப்பு,பச்சை மற்றும் நீலம வண்ண மின்னூட்டங்களை ஒன்றுசேர்த்தோமெனில் ஒரு நடுநிலை வண்ண மின்னூட்டம் கிடைக்கிறது. அனைத்து குவார்க்குகள் மற்றும் குளுவான்களும் வண்ண மின்னூட்டங்களை பெற்றுள்ளன. ஆனால் குவார்க், எதிர்-குவார்க் மற்றும் குளுவான்களால் ஆக்கப்பட்ட அனைத்து ஹேட்ரான்களும் (புரோட்டான், நியூட்ரான் மற்றூம் மீஸான்கள்) நடுநிலை வண்ண மின்னூட்டத்தைப் பெற்றுள்ளன.(பெரும்பாலான அணுக்களும் நடுநிலை மின்னூட்டத்தைப் பெற்றுள்ளன). ஒரு குவார்க் குளுவான்களை உறிஞ்சுவதின் மூலமாகவோ உமிழ்வதின் மூலமாகவோ தன் வண்ணத்தை மாற்றிக்கொள்ள முடியும். ஒரு சிவப்பு குவார்க், பச்சை குவார்க்காக மாற வேண்டுமானால் அது சிவப்பு மற்றும் எதிர்-பச்சை வண்ணங்களை எடுத்துச்செல்லும் ஒரு குளுவானை உமிழ வேண்டும். மின்காந்த குவாண்டாவினை அடிப்படையாக கொண்ட குவாண்டம் களக்கொள்கை(Quantum field theory) யானது குவாண்டம் மின் இயங்கியல் (Quantum electrodynamics -QED) என்றும் வன்விசை குவாண்டாவினை அடிப்படையாகக்கொண்ட குவாண்டம் களக்கொள்கையானது குவாண்டம் நிற இயங்கியல் (Quantum chromodynamics -QCD) என்றும் அழைக்கப்படுகிறது. வண்ண மற்றும் மின்காந்த மின்னூட்டங்கள் இரண்டுமே அழிக்கவோ ஆக்கவோ இயலாதவை. ஒவ்வொரு பொருள் துகள்களுக்கும் அதற்கு நிகரான எதிர்-துகள் உள்ளது. எதிர்-பொருள் துகள்கள் பொருள் துகள்களுடன் எல்லா விதத்திலும் நிகரானது. ஆனால் அவற்றின் மின்னூட்டம் மட்டும் எதிரனதாக இருக்கும். ஒரு எதிர்-எலக்ட்ரான்(பாஸிட்ரான் பெயரிடப்பட்ட ஒரே எதிர் துகள்) எலக்ட்ரானைப் போலவே அதே நிறையைப் பெற்றுள்ளது, ஆனால் நேர்மின்னூட்டம் பெற்றுள்ளது. எதிர்-குவார்க்குகள் -2/3 மற்றும் +1/3 மின்னூட்டங்களைக் கொண்டுள்ளது. எதிர்-குவார்க்குகள் எதிர்-வண்ண மின்னூட்டங்களைப் பெற்றிருக்கும். (எதிர்-பச்சை, எதிர்-சிவப்பு மற்றும் எதிர்-நீலம்). ஒர் எதிர்-நியூட்ரானானது 2 Down எதிர்-குவார்க் மற்றும் 1 எதிர்-Up குவார்க்கினால் ஆனது. எதிர்-குவார்க்குகள்

எதிர்-குவார்க் நிறை(Gev) மின்னூட்டம்
UP எதிர்-குவார்க் 0.003 –2/3
DOWN எதிர்-குவார்க் 0.006 +1/3
CHARM எதிர்-குவார்க் 1.3 -2/3
STRANGE எதிர்-குவார்க் 0.1 +1/3
TOP எதிர்-குவார்க் 175 -2/3
BOTTOM எதிர்-குவார்க் 4.3 +1/3

எதிர்-லெப்டான்கள்

எதிர்-லெப்டான் நிறை(Gev) மின்னூட்டம்
எதிர்-எலக்ட்ரான் 5.11X10-4 +1
எலக்ட்ரான் எதிர்-நியூட்ரினோ <10-8 - எதிர்-மியூவான் 0.106 +1 மியூவான் எதிர்-நியூட்ரினோ <3X10-4 - எதிர்-டவ் ஆன் 1.78 +1 டவ் ஆன் எதிர்-நியூட்ரினோ <3.3X10-2 - ஒரு துகளும் எதிர்-துகளும் சந்திக்க நேர்ந்தால், அவை தூய ஆற்றலாக நிர்மூலமாகிவிடும். மற்றும் குளுவான்கள், ஃபோட்டான்கள் அல்லது Z போஸான்கள் போன்ற ஆற்றல் மிக்க நடுநிலை விசை சுமக்கும் துகள்களின் (energetic neutral force-carrier particle) மேம்பாட்டை க்டுக்க நேரும். எதிரிடையாக ஆற்றல்மிக்க நடுநிலை விசை சுமக்கும் துகள்களானவை ஜோடி உருவாதல் (Pair production) என்ற நிகழ்வின் மேம்பாட்டைக் கொடுக்க இயலும். எதிர் பொருட்களை விட பொருட்களே இப்பிரபன்க்சத்தை வியாபித்துக் கொண்டிருப்பது ஏன் என்ற பிரபஞ்சவியலின் தீர்க்கப்படாத பெரும் இரகசியம் இந்த ஜோடி உருவாதல் ஆகும். மீஸான்கள் எனப்படுபவை போஸான் ஹேட்ரான்கள் ஆகும். ஒரு குவார்க் ஒர் எதிர்-குவார்க்குடன் குளூவான் குழலால் பிணைக்கப்பட்டதே ஒரு மீஸான் ஆகும். இதிலிருந்து மீஸான்கள் அதிக நிலைப்புத்தன்மை கொண்டவை அல்ல என தெரியவருகிறது.அதிக ஆயுள் கொண்ட மீஸான் நேர்மின்னூட்டமுடைய பை-மீஸான் (Pion) ஆகும். இது ஒரு (Up) குவார்க் மற்றும் ஒரு எதிர்-Down குவார்க்கினால் ஆனது. இதன் நிறை 0.14 Gev, இதன் சராசரி ஆயுட்காலம் நேனோ விநாடிகளில் அளக்கப்படுகிறது. உட்கருச்சிதைவு, மென் உட்கரு விசையினைப் பொருத்ததேயாகும். மென் விசையாந்து அதிக நிறையுடைய W போஸான் (ஒரு புரோமின் அணுவின் நிறை) மற்றும் Z போஸான் ( ஒரு ஜிர்க்கோனியம் அணுவின் நிறை) ஆகியவற்றால் ஆளப்படுகிறது. ஒரு குவார்க் தன் வகையை மாற்றிக்கொள்ள வேண்டுமானால் அது W+ மற்றும் W- மின்னூட்டம் கொண்ட W போஸான்களை உறிஞ்ச வேண்டும் அல்லது உமிழ வேண்டும். ஒரு Z போஸானால் ஒரு குவார்க்/எதிர்-குவார்க் இணை அல்லது ஒரு லெப்டான்/எதிர்-லெப்டான் இணையினை சிதைக்க இயலும். பீட்டா சிதைவு ஏற்பட ஓர் W- போஸான் உமிழப்படுகிறது. அது மேலும் எலக்ட்ரான் மற்றும் எலக்ட்ரான் எதிர்-நியூட்ரினோவை சிதைக்கிறது. அதிக நிறையுடைய குவார்க்குகள் மற்றும் லெப்டான்கள், இலேசான குவார்க்குகள் மற்றும் லெப்டான்களாக வேகமாக சிதைவது மென் W போஸான் உட்கரு விசையைப் பொருத்ததாகும். நியூட்ரினோக்களுக்காக குறுக்குப் பிரிவு சிதறலுக்கு (Scattering cross-section) மென் Z போஸான் விசை உதவுகிறது. மொத்தத்தில் The standard model -ல் 17 துகள்கள் உள்ளன. அவற்றில் ஒன்று Higgs Boson, இதுவரை கருதுகோளாகவே உள்ளது. 17-ல் 12 துகள்கள் ஃபெர்மியான்கள் ஆகும். மீதமுள்ள 5 துகள்கள் போஸான்களாகும். அவற்றில் நான்கு விசை சுமக்கும் துகள்கள். 5 வது Higgs Boson, துகள்கள், நிறையைப் பெற்றிருப்பதற்கு இதுவே காரணம் என முன்மொழியப்படுகிறது. ஏறக்குறைய 85% பிரபஞ்சப்பொருள் கணக்கிடப்படவில்லை. இவற்றிற்கான இடம் The standard model -ல் விடுபட்டுள்ளது. அது இருட்பொருட்கள் (Dark matters) ஆகும். வலக்கை மற்றும் இடக்கை துகள்களுக்கிடையே வன் மற்றும் மின்காந்த விசைகள் எந்த வேறுபாட்டினையும் காட்டுவதில்லை. மென்விசைகளுக்கு ஆட்படும் துகள்களுக்கிடையே இந்த வேறுபாடு காணப்படுகிறது. வலக்கை விரல்களை சுழற்றும்போது வல்க்கை கட்டைவிரல் நகரும் திசையில் தற்சுழற்சி கொண்ட துகள்கள் வலக்கை துகள்கள் எனப்படும். இடக்கை நியூட்ரினோக்கள் பொருள், வலக்கை நியூட்ரினோகள் எதிர்-பொருள் ஆகும். (இக்கட்டுரை டிசம்பர் 2006 "கலைக்கதிர்" ல் வெளியாகியுள்ளது) yousufaero@gmail.com