હિગ્સ બોસોન : ગોડ પાર્ટિકલ કે ગોડ ઓફ સ્મોલ થિંગ્સ?

- ફયુચર સાયન્સ-કે.આર.ચૌધરી

૧૮ ૭૪માં ભૌતિકશાસ્ત્રનો વધારે સારી રીતે અભ્યાસ થાય, એકસરખા સમરસિયા લોકો એક જ સ્થળે ભેગા થાય તેવા ઉદ્દેશ્ય સાથે, ફિઝિકલ સોસાયટી ઓફ લંડનની સ્થાપના કરવામાં આવી હતી. ૧૯૧૮માં આવું જ બીજું એક સંગઠન શરૂ થયું, જેનું નામ હતું: ઇન્સ્ટિટયૂટ ઓફ ફિઝિક્સ. આ બંને સંસ્થાઓ ૧૯૬૦માં એકબીજામાં ભળી ગઈ, છેવટે તેનું નામ રહી ગયું: ''ઇન્સ્ટિટયૂટ ઓફ ફિઝિક્સ.'' જે આજે વૈશ્વિક કક્ષાએ ભૌતિકવિજ્ઞાન ક્ષેત્રે કામ કરતી ખૂબ જ જાણીતી સંસ્થા છે. આ સંસ્થા પોતાનું પ્રકાશનગૃહ પણ ચલાવે છે. ભૌતિકશાસ્ત્રને લગતી જર્નલ, એટલે કે ''ફિઝિક્સ વર્લ્ડ, આ સંસ્થાનું જ બાળક છે. આ જર્નલમાં ભૌતિકશાસ્ત્રને લગતા સંશોધનપત્રો પ્રકાશિત થાય છે. 

ફિઝિક્સ વર્લ્ડ દ્વારા ૨૬ સપ્ટેમ્બર ૨૦૨૪ના રોજ, એક જીવંત કાર્યક્રમ યોજાઇ ગયો. જેમાં બ્રિટનના બે અને અમેરિકાના એક એમ ત્રણ પ્રખ્યાત નામ વિજ્ઞાનીઓએ ભાગ લીધો હતો. આ ત્રણેય ખ્યાતનામ વિજ્ઞાની એટલે, યુનિવર્સિટી ઓફ લિવરપૂલ, યુકેના તારા શીઅર્સ, યુનિવર્સિટી ઓફ ઓક્સફર્ડ, યુકેના ફિલ બરોઝ અને યુનિવર્સિટી ઓફ વિસ્કોન્સિન-મેડિસન, યુએસનાં તુલિકા બોઝ. આ ચર્ચામાં મુખ્યત્વે હિગ્સ બોસોન અને આધુનિક ભૌતિક શાસ્ત્રનું સ્ટાન્ડર્ડ મોડલ કઈ દિશામાં જઈ રહ્યું છે? તેના વિશે ચર્ચા થઇ હતી? હવે સવાલ થાય કે ''હિગ્સ બોસોનની શોધને એક દાયકાથી વધુ સમય પસાર થઈ ગયો હોવા છતાં, આજે પણ આ સૂક્ષ્મ કણ જેને લોકો ગોડ પાર્ટીકલ કહે છે. તે શા માટે ચર્ચામાં રહે છે? એક સવાલ જરૂર ઊઠશે? અરે મારા ભાઈ! પહેલા એ તો કહો કે ગોડ પાર્ટીકલ એટલે કે હિગ્સ બોસોન કહે છે, એ શું છે? અને તેનું આટલું બધું મહત્વ શા માટે છે?

હિગ્સ યાત્રા : સિદ્ધાંતથી અમરત્વ સુધી 

વાત ૧૯૬૪ની છે. બ્રિટનના જાણીતા ભૌતિકશાસ્ત્રી પિટર  હિગ્સના મગજમાં ગુસ્સો ભરાયેલો હતો. અમેરિકન જર્નલ Physical Letters દ્વારા, તેમણે સુધારો કરીને લખેલું બીજું સંશોધનપત્ર પણ નકારી કાઢવામાં આવ્યું હતું. ગુસ્સાનું બીજું કારણ એ પણ હતું કે, તેમના મિત્રએ સ્કોટલેન્ડ નજીક એક સૌથી ઓછા વરસાદવાળા સ્થળ વિશે ક્યાંક વાંચ્યું હતું. આ મિત્રએ પિટર  હિગ્સને ત્યાં રજાઓ ગાળવા માટે સૂચવ્યું હતું. પિટર  હિગ્સ અને તેની પત્ની આ સ્થળે પહોંચ્યા ત્યારે, પુષ્કળ વરસાદ વરસતો હતો. ત્યાં તેઓ તંબુ નાખીને રહેવાની વ્યવસ્થા કરતા હતા, ત્યારે તંબુ પણ તૂટીફૂટીને ભીનો થઈ ગયો. છેવટે તેઓ બીજે આશરો લેવા માટે મજબૂર થયા હતાં. પાછા ફર્યા પછી જાણવા મળ્યું કે તેમના મિત્રે ખોટી માહિતી આપી હતી. તે સ્થળ સૌથી વધુ વરસાદવાળું હતું! કવર લેટરમાં, જર્નલના સંપાદક જેક્સ પ્રેન્ટકીએ સૂચવ્યું કે ''હિગ્સ તેમના સિદ્ધાંત પર થોડું વધુ કામ કરે.'' પરંતુ પ્રશ્ન એ હતો કે ''તેઓ શું અને કેવું કામ કરે ?'' 

પિટર હિગ્સને ખબર નહોતી કે લગભગ એક જ સમયે, પાંચ અન્ય ભૌતિકશાસ્ત્રીઓ એક જ સમસ્યા ઉપર કામ કરી રહ્યા હતા. છેવટે તેઓ બધાજ વિજ્ઞાનીઓ એક સરખા જ નિષ્કર્ષ પર આવ્યા હતા. લંડનમાં ટોમ કિબલ, ગેરી ગુરાલનિક અને ડિક હેગન એમ 'ત્રણની ગેંગ' હતી. બ્રસેલ્સમાં રોબર્ટ બ્રાઉટ અને ફ્રાન્કોઇસ એંગ્લર્ટનો એમ 'બેની ગેંગ' હતી. પિટર હિગ્સ વન મેન આર્મી હતા. જ્યારે પિટર હિગ્સ પોતાનું સુધારેલુ પેપર ફરીથી ટાઇપ કરવા માટે વિભાગીય સચિવ પાસે લઈ ગયો, ત્યારે તેમને ખ્યાલ નહોતો કે ''તે કણ ભૌતિકશાસ્ત્રના માળખામાં કેવી રીતે ફિટ થઈ શકે છે, પરંતુ તેમને ખાતરી હતી કે તેમનુ સંશોધન મહત્વપૂર્ણ છે.'' તેમને સહેજ પણ ખ્યાલ નહોતો કે 'તેમણે ઉમેરેલા નવા વાક્યો, તેમને અમરત્વ અપાવશે.'

પાર્ટિકલ મેજિક : બ્રહ્માંડનું સર્જન

 ભૌતિકશાસ્ત્રીઓએ બ્રહ્માંડમાં રહેલ દરેક પદાર્થની રચનામાં વપરાતા મૂળભૂત બિલ્ડીંગ બ્લોક્સને, હિગ્સ બોસોન તરીકે ઓળખી ગયા છે. જેને સામાન્ય માણસ ગોડ પાર્ટીકલ અને વિજ્ઞાનીઓ હિગ્સ બોસોન તરીકે ઓળખે છે. બ્રહ્માંડના સમગ્ર સર્જન પાછળ એક સરળ સિદ્ધાંત કામ કરી રહ્યો છે. જેને વિજ્ઞાની ગેજ સિમેન્ટરી સિદ્ધાંત તરીકે ઓળખે છે. પ્રકૃતિમાં પદાર્થ તરીકે જન્મ લેતી કોઈપણ વસ્તુને આ સિદ્ધાંત દ્વારા સમજાવી શકાય છે. જેમાં હિગ્સ બોસોનનો પણ સમાવેશ થઈ જાય છે. મહત્વની, મજાની અને મેજિકલ વાત એ છે કે ''વિજ્ઞાનીઓ હિગ્સ બોસોનને માત્ર ગણિતના સૂત્ર દ્વારા શોધી શક્યા હતા, સંશોધકોએ તેને લાર્જ હેડ્રોન કોલાઈડરમાં પ્રેક્ટીકલી એટલે કે પ્રાયોગિક રીતે શોધી કાઢયો છે. હિગ્સ બોસોનનું મૂળ કામ, પ્રારંભિક કણોને દળ - માસ આપવાનું છે. વિજ્ઞાનીઓ કહે છે કે ''પદાર્થ બે અલગ અલગ પ્રકારની પદ્ધતિઓ દ્વારા દળ મેળવી શકે છે. પ્રથમ પદ્ધતિ એટલે કે  W+, W– કણોના કિસ્સામાં ગોલ્ડસ્ટોન બોસોન દ્વારા. બીજી પદ્ધતિ એટલે ફર્મિઓન્સ કણોના કિસ્સામાં, હિગ્સ ક્ષેત્ર સાથેની તેમની ક્રિયા પ્રતિક્રિયા. 

જો બ્રહ્માંડના દરેક પદાર્થને દળ આપવાનું કામ હિગ્સ બોસોન કરતો હોય તો, સવાલ એ થાય કે તેનું પોતાનું દળ, હિગ્સ બોસોન ક્યાંથી મેળવે છે? જવાબ છે: પોતાની સાથે જ આંતરક્રિયાપ્રક્રિયા કરીને એ દળ મેળવે છે. જોકે આ એક ધારણા માત્ર છે. મજાની અને આશ્ચર્યજનક વાત એ છે કે બીજી પ્રક્રિયા એટલે કે હિગ્સ ક્ષેત્રમાં ક્રિયાપ્રતિક્રિયા દ્વારા પદાર્થને માત્ર ૧%જેટલું જ દળ મળે છે. સરળ ભાષામાં કહીએ તો તમારા શરીરની રચનામાં આવેલ વિવિધ અંગોમાં, માત્ર એક ટકો પદાર્થ જ, તેનો જથ્થો 'હિગ્સ બોસોન' દ્વારા મેળવેલ છે. હિગ્સ બોસોનનું મહત્વ એટલા માટે છે કે જો હિગ્સ બોસોનનું અસ્તિત્વ ન હોત તો, બ્રહ્માંડમાં પદાર્થનું સર્જન થયું ન હોત. બ્રહ્માંડમાં કેટલાક પ્રારંભિક કણ રચાયા ન હોત, કારણ કે દળ વગરના કણ અથવા તો તરંગો પ્રકાશની ઝડપે અહીંથી અહીં ઉડતા ફરતા હોત. તારા અને આકાશગંગાનું અસ્તિત્વ ન હોત. અને કદાચ તમારું શરીર પણ ન રચાયું હોત. 

હિગ્સ બોસોન : અંતિમ કણની શોધ 

યોગાનુયોગે પિટર હિગ્સે પોતાનું સુધારેલું સંશોધનપાત્ર ફિઝિકલ લેટર્સને આપવાના બદલે, તેના અમેરિકન પ્રતિસ્પર્ધી 'ફિઝિકલ રિવ્યુ લેટર્સને' મોકલી આપ્યું. ૧૯૫૮થી ફિઝિકલ રીવ્યુ લેટર નામની અમેરિકન વિજ્ઞાન જર્નલ પ્રકાશિત થાય છે. ૧૯૯૫થી ૨૦૧૭ વચ્ચે, ફિઝિકલ રીવ્યુ લેટરમાં પ્રકાશિત થયેલા સંશોધનપત્રોમાંથી, તેના ૨૫% વિજ્ઞાનીઓને નોબલ પ્રાઈઝ મળ્યું છે. ફિઝિકલ રીવ્યુ લેટર્સમાં તેમનું સંશોધન પત્ર પ્રકાશિત થયું. જે સાડા ત્રણ દાયકા બાદ તેમને નોબલ પ્રાઈઝ અપાવવાનું હતું. ૨૦૧૩માં પિટર હિગ્સને હિગ્સ ફિલ્ડ અને હિગ્સ બોસોનની સૈદ્ધાંતિક શોધ માટે ભૌૈતિક શાસ્ત્રનું નોબેલ આપવામાં આવ્યું હતું. ભૌતિક વિજ્ઞાનને એવરેસ્ટ જેવા સર્વોચ્ચ શિખર ઉપર બેસાડવાનું કામ, હિગ્સ બોસોનની શોધે કર્યું છે. ભૌતિકશાસ્ત્રના પ્રમાણિત મોડેલ એટલે કે સ્ટાન્ડર્ડ પાર્ટીકલ મોડેલનો છેલ્લો જીર્ગ્સો ભાગ એટલે હિગ્સ બોસોનની શોધ. સ્ટાન્ડર્ડ મોડેલમાં પ્રાથમિક કણોને સમજાવતા એલિમેન્ટર્રી પાર્ટિકલમાં હિગ્સ બોસોન અજોડ છે. તે એકમાત્ર એવો ગેજ પાર્ટીકલ છે, જેને પોતાનો કોઈ વીજભાર નથી. ભૌતિકશાસ્ત્રમાં જેને એન્ગ્યુંલર મોમેન્ટમ કહે છે, તેવો કોઈ ક્વોન્ટમ સ્પીન પણ નથી. 

સરળ ભાષામાં કહીએ તો હિગ્સ બોસોનનો ઈલેક્ટ્રીક ચાર્જ અને ક્વોન્ટમ સ્પિનનું મૂલ્ય જીરો એટલે કે શૂન્ય છે. સરખામણી કરવી હોય તો, ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક એટલે કે વીજ ચુંબકીય બળ ધરાવતા,સ્ટ્રોંગ અને તેનાં વાહકકણોનું એન્ગ્યુંલર મોમેન્ટમ મુલ્ય એક છે. જ્યારે ગુરુત્વાકર્ષણ બળના કાલ્પનિક વાહક કણ તરીકે જેની કલ્પના કરવામાં આવે છે. તે ''ગ્રેવિટોન''નનુ સ્પીન મૂલ્ય ૨ હોવાની અપેક્ષા રાખવામાં આવે છે. હિગ્સ બોસોનનું દ્રવ્ય પ્રોટોનના દળ કરતા ૧૨૬ ગણું વધારે છે. અત્યાર સુધી શોધાયેલા સૌથી ભારે સબ એટમ પાર્ટીકલમાં, સૌથી વધારે દ્રવ્ય એટલે કે માસ હિગ્સ બોસોન ધરાવે છે. એની આ લાક્ષણિકતાના કારણે તે અવાર નવાર ટોપ ક્વાર્ક, બોટમ ક્વાર્ક અને ભારે ટાઉલેપટોન સાથે ક્રિયા પ્રતિક્રિયા કરતા જોવા મળે છે. જોકે આવી ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ દર્શાવતી ઘટના પ્રયોગશાળામાં જોવા મળવી દુર્લભ છે. 

ગોડ પાર્ટિકલ કે ગોડ ઓફ સ્મોલ થિંગ્સ?

બ્રહ્માંડ સર્જનની ઘટના બીગ બેંગ એટલે કે મહાવિસ્ફોટની ઘટના. બીગ બેંગના પ્રારંભિક સમયમાં સર્જન પામેલ દરેક પાર્ટીકલ એટલે કે કણ દ્રવ્ય વિહીન હતા. આવાં કણો પ્રકાશની ઝડપે ભાગતા હતા. આ સમયે ભૌતિકશાસ્ત્રમાં જેને હિગ્સ ફિલ્ડ કહે છે, તેની સ્વીચ ઓન થતા, વિવિધ કણો પાસે પોતાનું દળ - માસ આવ્યો. હવે તેઓ એકબીજા સાથે પ્રક્રિયા કરવા લાગ્યા. પરિણામે બ્રહ્માંડમાં પદાર્થનું સર્જન થવા લાગ્યું હતું. કેટલાક સૈદ્ધાંતિક ભૌતિકશાસ્ત્રીઓ માને છે કે ''હિગ્સ ફિલ્ડ / હિગ્સ ક્ષેત્રને આપણે યોગ્ય રીતે સમજી શકીએ તો, બ્રહ્માંડનું એક રહસ્ય ઉકલી શકે છે. બિગ બેંગની ઘટના બાદ, બ્રહ્માંડનું અતિશય ઝડપથી વિસ્તરણ થયું, જેને વિજ્ઞાનીઓ 'ઇન્ફ્લેશન' તરીકે ઓળખે છે. આવું શા માટે થયું? તે વિજ્ઞાનીઓ માટે એક રહસ્ય ગણાય છે.  હિગ્સફિલ્ડ / હિગ્સ ક્ષેત્રની સમજથી આ રહસ્યને આપણે ઉકેલી શકીએ છીએ. સિદ્ધાંતવાદી ભૌતિકશાસ્ત્રીઓને શંકા છે કે ''બીગ બેંગ પછીનો તબક્કો, જેને 'ઇન્ફ્લેશન' કહે છે, તે સમયગાળામાં ગુરુત્વાકર્ષણની પ્રતિકૂળ અસર જોવા મળી હતી. તેથી આ સમયે બ્રહ્માંડ સર્જન સ્કેલર ક્ષેત્ર દ્વારા નિયંત્રિત થતું હશે. 

આજની તારીખે આપણે હિગ્સ ફિલ્ડ વિશે જાણીએ છીએ, પરંતુ તેનું સર્જન કેવી રીતે થયું હશે? તે જાણતા નથી. ખાલી અંતરીક્ષ એટલે કે સ્પેસમાં તેનું સરેરાશ મૂલ્ય શૂન્ય-રહિત કેમ જોવા મળે છે? કે પછી ખરેખર આવવું જ હોય! આપણને ખબર નથી. આજના વિજ્ઞાનની બીજી સમસ્યા, ડાર્ક એનર્જી એટલે કે અદ્રશ્ય ઉર્જા છે. જેના દ્વારા બ્રહ્માંડનું વિસ્તરણ અંકુશિત થઇ રહ્યું છે. અને બ્રહ્માંડનાં વિસ્તરણનો ઓછા દર ઘટી રહ્યો છે. એટલું જ નહીં આજનું બ્રહ્માંડ વધારે સ્ટેબલ એટલે કે સંતુલિત અને ટકાઉ બન્યું છે. જેની પાછળ હિગ્સ બોસોન અને હિગ્સ ફિલ્ડ ચાવીરૂપ ભૂમિકા ભજવી રહ્યા છે. આ કારણે નવા શોધાયેલા કણને ''ગોડ પાર્ટિકલ કહેવો ઉચિત છે? '' કે ''પદાર્થના દળ સર્જન માટે તેની ભૂમિકા માત્ર ૧ ટકા જેટલી છે.'' તેથી તેને ''ગોડ ઓફ સ્મોલ થીંગ'' કહીશું?