कण भौतिकी

कण भौतिकी ( उच्च ऊर्जा भौतिकी के रूप में भी जाना जाता है) भौतिकी की एक शाखा है जो कणों की प्रकृति का अध्ययन करती है जो पदार्थ और विकिरण का गठन करते हैं। यद्यपि कण शब्द विभिन्न प्रकार की बहुत छोटी वस्तुओं (जैसे प्रोटॉन, गैस के कण, या यहां तक कि घरेलू धूल) को संदर्भित कर सकता है, आमतौर पर अघुलनशील रूप से सबसे छोटे पता लगाने योग्य कणों और उनके व्यवहार की व्याख्या करने के लिए आवश्यक मूलभूत अंतःक्रियाओं की जांच करती है।

वर्तमान समझ में, ये प्राथमिक कण क्वांटम क्षेत्रों के उत्तेजना हैं जो उनकी बातचीत को भी नियंत्रित करते हैं। इन मूलभूत कणों और क्षेत्रों को उनकी गतिशीलता के साथ समझाते हुए वर्तमान में प्रमुख सिद्धांत को मानक मॉडल कहा जाता है। इस प्रकार, आधुनिक कण भौतिकी आम तौर पर मानक मॉडल और इसके विभिन्न संभावित विस्तारों की जांच करती है, उदाहरण के लिए नवीनतम "ज्ञात" कण, हिग्स बोसोन, या यहां तक कि सबसे पुराने ज्ञात बल क्षेत्र, गुरुत्वाकर्षण तक।

उप -परमाणु कण
आधुनिक कण भौतिकी अनुसंधान उप-परमाणु कणों पर केंद्रित है, जिसमें परमाणु घटक शामिल हैं, जैसे कि इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन, और न्यूट्रॉन (प्रोटॉन और न्यूट्रॉन मिश्रित कण हैं जिन्हें बैरियन कहा जाता है, जो क्वार्क से बने होते हैं), जो रेडियोधर्मी और बिखरने वाली प्रक्रियाओं द्वारा निर्मित होते हैं; ऐसे कण फोटॉन, न्यूट्रिनो और म्यूऑन हैं, साथ ही साथ विदेशी कणों की एक विस्तृत श्रृंखला भी है।

कणों की गतिशीलता भी क्वांटम यांत्रिकी द्वारा नियंत्रित होती है; वे तरंग-कण द्वैत का प्रदर्शन करते हैं, कुछ प्रयोगात्मक परिस्थितियों में कण-समान व्यवहार प्रदर्शित करते हैं और दूसरों में तरंग -समान व्यवहार प्रदर्शित करते हैं। अधिक तकनीकी शब्दों में, उन्हें क्वांटम स्टेट वैक्टर द्वारा हिल्बर्ट स्पेस में वर्णित किया जाता है, जिसे क्वांटम फील्ड थ्योरी में भी माना जाता है। कण भौतिकविदों के सम्मेलन के बाद, प्राथमिक कण शब्द उन कणों पर लागू होता है, जिन्हें वर्तमान समझ के अनुसार अविभाज्य माना जाता है और अन्य कणों से बना नहीं है।

आज तक देखे गए सभी कणों और उनकी अंतःक्रियाओं को लगभग पूरी तरह से क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत द्वारा वर्णित किया जा सकता है जिसे मानक मॉडल कहा जाता है। मानक मॉडल, जैसा कि वर्तमान में तैयार किया गया है, में 61 प्राथमिक कण हैं। 1960 के दशक से खोजे गए कणों की सैकड़ों अन्य प्रजातियों के लिए लेखांकन, वे प्राथमिक कण मिश्रित कणों को बनाने के लिए गठबंधन कर सकते हैं।

मानक मॉडल अब तक किए गए लगभग सभी प्रायोगिक परीक्षणों से सहमत पाया गया है। हालांकि, अधिकांश कण भौतिकविदों का मानना है कि यह प्रकृति का अधूरा विवरण है और एक अधिक मौलिक सिद्धांत खोज की प्रतीक्षा कर रहा है (देखें थ्योरी ऑफ एवरीथिंग )। हाल के वर्षों में, न्यूट्रिनो द्रव्यमान के मापन ने मानक मॉडल से पहला प्रायोगिक विचलन प्रदान किया है, क्योंकि न्यूट्रिनो मानक मॉडल में द्रव्यमान रहित हैं।

इतिहास
यह विचार कि सभी पदार्थ मौलिक रूप से प्राथमिक कणों से बने हैं, कम से कम छठी शताब्दी ईसा पूर्व से हैं। 19वीं शताब्दी में, जॉन डाल्टन ने स्टोइकोमेट्री पर अपने काम के माध्यम से निष्कर्ष निकाला कि प्रकृति का प्रत्येक तत्व एक एकल, अद्वितीय प्रकार के कण से बना है। परमाणु शब्द, ग्रीक शब्द एटमॉस के बाद, जिसका अर्थ है "अविभाज्य", तब से एक रासायनिक तत्व के सबसे छोटे कण को दर्शाता है, लेकिन भौतिकविदों ने जल्द ही पता लगाया कि परमाणु वास्तव में प्रकृति के मौलिक कण नहीं हैं, बल्कि इससे भी छोटे समूह हैं। कण, जैसे इलेक्ट्रॉन । परमाणु भौतिकी और क्वांटम भौतिकी के शुरुआती 20वीं सदी के अन्वेषणों ने 1939 में लिस मीटनर ( ओटो हैन के प्रयोगों के आधार पर) द्वारा परमाणु विखंडन के प्रमाण दिए, और उसी वर्ष हंस बेथे द्वारा परमाणु संलयन ; दोनों खोजों ने परमाणु हथियारों के विकास को भी जन्म दिया। 1950 और 1960 के दशक के दौरान, तेजी से उच्च ऊर्जा के बीम से कणों के टकराव में कणों की एक चौंकाने वाली विविधता पाई गई थी। इसे अनौपचारिक रूप से " कण चिड़ियाघर " के रूप में संदर्भित किया गया था। जेम्स क्रोनिन और वैल फिच द्वारा सीपी उल्लंघन जैसी महत्वपूर्ण खोजों ने पदार्थ-एंटीमैटर असंतुलन के लिए नए प्रश्न लाए। 1970 के दशक के दौरान मानक मॉडल के निर्माण के बाद, भौतिकविदों ने कण चिड़ियाघर की उत्पत्ति को स्पष्ट किया। बड़ी संख्या में कणों को एक (अपेक्षाकृत) कम संख्या में अधिक मौलिक कणों के संयोजन के रूप में समझाया गया था और क्वांटम क्षेत्र सिद्धांतों के संदर्भ में तैयार किया गया था। इस पुनर्वर्गीकरण ने आधुनिक कण भौतिकी की शुरुआत को चिह्नित किया।

मानक मॉडल
सभी प्राथमिक कणों के वर्गीकरण की वर्तमान स्थिति को मानक मॉडल द्वारा समझाया गया है, जिसे क्वार्क के अस्तित्व की प्रायोगिक पुष्टि के बाद 1970 के दशक के मध्य में व्यापक स्वीकृति मिली। यह मध्यस्थता गेज बोसॉन का उपयोग करते हुए मजबूत, कमजोर और विद्युत चुम्बकीय मौलिक अंतःक्रियाओं का वर्णन करता है। गेज बोसॉन की प्रजातियां आठ ग्लून्स हैं,,थाबोसॉन और फोटॉन । मानक मॉडल में 24 मौलिक फ़र्मियन (12 कण और उनसे जुड़े एंटी-पार्टिकल्स) भी शामिल हैं, जो सभी पदार्थों के घटक हैं। अंत में, मानक मॉडल ने एक प्रकार के बोसॉन के अस्तित्व की भी भविष्यवाणी की जिसे हिग्स बोसॉन के नाम से जाना जाता है। 4 जुलाई 2012 को, सर्न में लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर के साथ भौतिकविदों ने घोषणा की कि उन्हें एक नया कण मिला है जो हिग्स बोसोन से अपेक्षित व्यवहार के समान है।

प्रायोगिक प्रयोगशालाएँ
विश्व की प्रमुख कण भौतिकी प्रयोगशालाएँ हैं:


 * ब्रुकहेवन नेशनल लेबोरेटरी ( लॉन्ग आइलैंड, संयुक्त राज्य अमेरिका )। इसकी मुख्य सुविधा रिलेटिविस्टिक हेवी आयन कोलाइडर (आरएचआईसी) है, जो सोने के आयनों और ध्रुवीकृत प्रोटॉन जैसे भारी आयनों से टकराती है। यह दुनिया का पहला भारी आयन कोलाइडर है, और दुनिया का एकमात्र ध्रुवीकृत प्रोटॉन कोलाइडर है।
 * बडकर इंस्टीट्यूट ऑफ न्यूक्लियर फिजिक्स ( नोवोसिबिर्स्क, रूस )। इसकी मुख्य परियोजनाएं अब इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर वीईपीपी-2000 हैं, जो 2006 से संचालित है, और वीईपीपी-4, ने 1994 में प्रयोग शुरू किए। पहले की सुविधाओं में पहला इलेक्ट्रॉन-इलेक्ट्रॉन बीम-बीम कोलाइडर VEP-1 शामिल है, जिसने 1964 से 1968 तक प्रयोग किए; 1965 से 1974 तक संचालित इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर VEPP-2; और, इसके उत्तराधिकारी VEPP-2M, ने 1974 से 2000 तक प्रयोग किए।
 * सर्न (यूरोपियन ऑर्गनाइजेशन फॉर न्यूक्लियर रिसर्च) ( फ्रेंको - स्विस बॉर्डर, जेनेवा के पास)। इसकी मुख्य परियोजना अब लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (एलएचसी) है, जिसका 10 सितंबर 2008 को पहला बीम परिसंचरण था, और अब यह प्रोटॉन का दुनिया का सबसे ऊर्जावान कोलाइडर है। सीसा आयनों से टकराने के बाद यह भारी आयनों का सबसे ऊर्जावान कोलाइडर भी बन गया। पहले की सुविधाओं में लार्ज इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर (एलईपी) शामिल है, जिसे 2 नवंबर 2000 को रोक दिया गया था और फिर एलएचसी के लिए रास्ता देने के लिए इसे नष्ट कर दिया गया था; और सुपर प्रोटॉन सिंक्रोट्रॉन, जिसे एलएचसी के लिए पूर्व-त्वरक के रूप में और निश्चित-लक्षित प्रयोगों के लिए पुन: उपयोग किया जा रहा है।
 * डेसी (ड्यूशस इलेक्ट्रोनन-सिंक्रोट्रॉन) ( हैम्बर्ग, जर्मनी )। इसकी मुख्य सुविधा हैड्रॉन इलेक्ट्रान रिंग ऐनलेज (HERA) थी, जो इलेक्ट्रॉनों और पॉज़िट्रॉन को प्रोटॉन से टकराती थी। त्वरक परिसर अब पेट्रा III, फ्लैश और यूरोपीय एक्सएफईएल के साथ सिंक्रोट्रॉन विकिरण के उत्पादन पर केंद्रित है।
 * फर्मी नेशनल एक्सेलेरेटर लेबोरेटरी (फर्मिलैब) ( बटाविया, संयुक्त राज्य अमेरिका )। 2011 तक इसकी मुख्य सुविधा टेवाट्रॉन थी, जो प्रोटॉन और एंटीप्रोटोन से टकराती थी और 29 नवंबर 2009 को लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर को पार करने तक पृथ्वी पर सबसे अधिक ऊर्जा वाला कण कोलाइडर था।
 * उच्च ऊर्जा भौतिकी संस्थान (आईएचईपी) ( बीजिंग, चीन )। आईएचईपी चीन की कई प्रमुख कण भौतिकी सुविधाओं का प्रबंधन करता है, जिसमें बीजिंग इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर II (बीईपीसी II), बीजिंग स्पेक्ट्रोमीटर (बीईएस), बीजिंग सिंक्रोट्रॉन विकिरण सुविधा (बीएसआरएफ), तिब्बत में यांगबाजिंग में अंतर्राष्ट्रीय कॉस्मिक-रे वेधशाला शामिल हैं।, दया बे रिएक्टर न्यूट्रिनो प्रयोग, चाइना स्पेलेशन न्यूट्रॉन स्रोत, हार्ड एक्स-रे मॉड्यूलेशन टेलीस्कोप (HXMT), और एक्सेलेरेटर-संचालित सब-क्रिटिकल सिस्टम (ADS) के साथ-साथ जियांगमेन अंडरग्राउंड न्यूट्रिनो ऑब्जर्वेटरी (JUNO)।
 * केईके ( सुकुबा, जापान )। यह कई प्रयोगों का घर है जैसे कि K2K प्रयोग, एक न्यूट्रिनो दोलन प्रयोग और बेले II, एक प्रयोग जो B मेसन के CP उल्लंघन को मापता है।
 * एसएलएसी राष्ट्रीय त्वरक प्रयोगशाला ( मेनलो पार्क, संयुक्त राज्य अमेरिका )। इसका 2 मील लंबा रैखिक कण त्वरक 1962 में काम करना शुरू कर दिया और 2008 तक कई इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन टकराव प्रयोगों का आधार था। तब से रैखिक त्वरक का उपयोग लिनैक सुसंगत प्रकाश स्रोत एक्स-रे लेजर के साथ-साथ उन्नत त्वरक डिजाइन अनुसंधान के लिए किया जा रहा है। एसएलएसी कर्मचारी दुनिया भर में कई कण डिटेक्टरों के विकास और निर्माण में भाग लेना जारी रखते हैं।

कई अन्य कण त्वरक भी मौजूद हैं। आधुनिक प्रायोगिक कण भौतिकी के लिए आवश्यक तकनीकें काफी विविध और जटिल हैं, जो एक उप-विशेषता को लगभग पूरी तरह से अलग बनाती हैं क्षेत्र के सैद्धांतिक पक्ष से।

सिद्धांत
सैद्धांतिक कण भौतिकी वर्तमान प्रयोगों को समझने और भविष्य के प्रयोगों के लिए भविष्यवाणियां करने के लिए मॉडल, सैद्धांतिक रूपरेखा और गणितीय उपकरण विकसित करने का प्रयास करती है ( सैद्धांतिक भौतिकी भी देखें)। सैद्धांतिक कण भौतिकी में आज कई प्रमुख परस्पर संबंधित प्रयास किए जा रहे हैं।

एक महत्वपूर्ण शाखा मानक मॉडल और उसके परीक्षणों को बेहतर ढंग से समझने का प्रयास करती है। सिद्धांतकार कोलाइडर और खगोलीय प्रयोगों में वेधशालाओं की मात्रात्मक भविष्यवाणियां करते हैं, जो प्रयोगात्मक माप के साथ मानक मॉडल के मापदंडों को कम अनिश्चितता के साथ निकालने के लिए उपयोग किया जाता है। यह कार्य मानक मॉडल की सीमाओं की जांच करता है और इसलिए प्रकृति के निर्माण खंडों की वैज्ञानिक समझ का विस्तार करता है। क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स में उच्च परिशुद्धता मात्रा की गणना करने की कठिनाई से उन प्रयासों को चुनौतीपूर्ण बना दिया गया है। इस क्षेत्र में काम करने वाले कुछ सिद्धांतवादी खुद को घटनाविज्ञानी बताते हुए परेशान क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत और प्रभावी क्षेत्र सिद्धांत के उपकरणों का उपयोग करते हैं।  अन्य जाली क्षेत्र सिद्धांत का उपयोग करते हैं और खुद को जाली सिद्धांतवादी कहते हैं।।

एक अन्य प्रमुख प्रयास मॉडल निर्माण में है जहां मॉडल निर्माता इस बात के लिए विचार विकसित करते हैं कि भौतिकी मानक मॉडल (उच्च ऊर्जा या छोटी दूरी पर) से परे क्या हो सकती है। यह कार्य अक्सर पदानुक्रम की समस्या से प्रेरित होता है और मौजूदा प्रयोगात्मक डेटा से बाधित होता है।  इसमें सुपरसिमेट्री पर काम, हिग्स तंत्र के विकल्प, अतिरिक्त स्थानिक आयाम (जैसे रान्डेल-सुंदरम मॉडल ), प्रीऑन सिद्धांत, इनके संयोजन या अन्य विचार शामिल हो सकते हैं।

सैद्धांतिक कण भौतिकी में तीसरा प्रमुख प्रयास स्ट्रिंग सिद्धांत है । स्ट्रिंग सिद्धांतवादी क्वांटम यांत्रिकी और सामान्य सापेक्षता के एक एकीकृत विवरण का निर्माण करने का प्रयास करते हैं, जो कि कणों के बजाय छोटे तारों और ब्रैन्स के आधार पर एक सिद्धांत का निर्माण करते हैं। यदि सिद्धांत सफल होता है, तो इसे " सब कुछ का सिद्धांत ", या "टीओई" माना जा सकता है।

सैद्धांतिक कण भौतिकी में काम के अन्य क्षेत्र भी हैं जो कण ब्रह्मांड विज्ञान से लेकर लूप क्वांटम गुरुत्व तक हैं।

कण भौतिकी में प्रयासों का यह विभाजन पर श्रेणियों के नामों में परिलक्षित होता है, एक प्रीप्रिंट संग्रह: हेप-थ (सिद्धांत), हेप-पीएच (घटना विज्ञान), हेप-एक्स (प्रयोग), हेप-लैट ( जाली गेज सिद्धांत )।

व्यावहारिक अनुप्रयोग
सिद्धांत रूप में, सभी भौतिकी (और उससे विकसित व्यावहारिक अनुप्रयोग) मौलिक कणों के अध्ययन से प्राप्त किए जा सकते हैं। व्यवहार में, भले ही "कण भौतिकी" को केवल "उच्च-ऊर्जा परमाणु स्मैशर्स" के रूप में लिया जाता है, इन अग्रणी जांचों के दौरान कई तकनीकों का विकास किया गया है जो बाद में समाज में व्यापक उपयोग पाते हैं। कण त्वरक का उपयोग अनुसंधान और उपचार के लिए चिकित्सा आइसोटोप का उत्पादन करने के लिए किया जाता है (उदाहरण के लिए, पीईटी इमेजिंग में प्रयुक्त आइसोटोप), या बाहरी बीम रेडियोथेरेपी में सीधे उपयोग किया जाता है। सुपरकंडक्टर्स के विकास को कण भौतिकी में उनके उपयोग से आगे बढ़ाया गया है। वर्ल्ड वाइड वेब और टचस्क्रीन तकनीक को शुरू में सर्न में विकसित किया गया था। चिकित्सा, राष्ट्रीय सुरक्षा, उद्योग, कंप्यूटिंग, विज्ञान और कार्यबल विकास में अतिरिक्त अनुप्रयोग पाए जाते हैं, जो कण भौतिकी के योगदान के साथ लाभकारी व्यावहारिक अनुप्रयोगों की एक लंबी और बढ़ती सूची को दर्शाता है।

भविष्य
प्राथमिक लक्ष्य, जिसका कई अलग-अलग तरीकों से पीछा किया जाता है, यह पता लगाना और समझना है कि भौतिकी मानक मॉडल से परे क्या हो सकती है। नई भौतिकी की अपेक्षा करने के लिए कई शक्तिशाली प्रयोगात्मक कारण हैं, जिनमें डार्क मैटर और न्यूट्रिनो द्रव्यमान शामिल हैं। सैद्धांतिक संकेत भी हैं कि इस नई भौतिकी को सुलभ ऊर्जा पैमाने पर पाया जाना चाहिए।

इस नई भौतिकी को खोजने के अधिकांश प्रयास नए कोलाइडर प्रयोगों पर केंद्रित हैं। हिग्स बोसोन, सुपरसिमेट्रिक कणों और अन्य नई भौतिकी की खोज जारी रखने में मदद करने के लिए लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (एलएचसी) 2008 में पूरा हुआ था। एक मध्यवर्ती लक्ष्य अंतर्राष्ट्रीय रैखिक कोलाइडर (आईएलसी) का निर्माण है, जो नए पाए गए कणों के गुणों के अधिक सटीक माप की अनुमति देकर एलएचसी को पूरक करेगा। अगस्त 2004 में, आईएलसी की तकनीक के लिए एक निर्णय लिया गया था लेकिन साइट पर अभी भी सहमति होनी बाकी है।

सके अलावा, ऐसे महत्वपूर्ण गैर-टकराव प्रयोग हैं जो मानक मॉडल से परे भौतिकी को खोजने और समझने का भी प्रयास करते हैं। एक महत्वपूर्ण गैर-कोलाइडर प्रयास न्यूट्रिनो द्रव्यमान का निर्धारण है, क्योंकि ये द्रव्यमान न्यूट्रिनो से बहुत भारी कणों के मिश्रण से उत्पन्न हो सकते हैं। इसके अलावा, ब्रह्माण्ड संबंधी अवलोकन डार्क मैटर पर कई उपयोगी बाधाएं प्रदान करते हैं, हालांकि कोलाइडर के बिना डार्क मैटर की सटीक प्रकृति को निर्धारित करना असंभव हो सकता है। अंत में, प्रोटॉन के बहुत लंबे जीवनकाल पर निचली सीमाएं ग्रैंड यूनिफाइड थ्योरी पर ऊर्जा के पैमाने पर बाधा डालती हैं, जो कि कोलाइडर प्रयोगों की तुलना में बहुत अधिक है, जल्द ही किसी भी समय जांच करने में सक्षम होंगे।

मई 2014 में,  कण भौतिकी परियोजना प्राथमिकता पैनल  ने अगले दशक में संयुक्त राज्य अमेरिका के लिए कण भौतिकी वित्त पोषण प्राथमिकताओं पर अपनी रिपोर्ट जारी की। इस रिपोर्ट ने एलएचसी और आईएलसी में अमेरिकी भागीदारी को जारी रखा, और अन्य सिफारिशों के बीच   डीप अंडरग्राउंड न्यूट्रिनो प्रयोग  का विस्तार किया।