कण भौतिकी

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

वर्तमान समझ में, ये प्राथमिक कण प्रमात्रा क्षेत्रों (क्वांटम  फ़ील्ड्स) के उत्सर्जन हैं जो उनकी अंतः क्रिया को भी नियंत्रित करते हैं। वर्तमान में, इन मूलभूत कणों और क्षेत्रों को उनकी गतिशीलता के साथ समझने केे 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 गुरुत्वाकर्षण के लिए भी है।

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 अवकीर्णन प्रक्रियाओं द्वारा निर्मित होते हैं, ऐसे कण फोटॉन, न्यूट्रिनो और म्यूऑन हैं, साथ ही साथ विजातीय कणों की एक विस्तृत श्रृंखला भी है।

कणों की गतिशीलता भी प्रमात्रा यांत्रिकी (क्वांटम मैकेनिक्स) द्वारा नियंत्रित होती है, वे तरंग-कण द्विविधता का प्रदर्शन करते हैं, कुछ प्रयोगात्मक स्थितियों और अन्य में तरंग जैसे व्यवहार का प्रदर्शन करते हैं। अधिक तकनीकी शब्दों में, उन्हें प्रमात्रा 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, शब्द प्राथमिक कण उन कणों पर लागू होते हैं जो अविभाज्य हैं और अन्य कणों से नहीं बने हैं।

सभी कणों और उनकी अंतःक्रियाओं को लगभग पूरी तरह से प्रमात्रा क्षेत्र सिद्धांत द्वारा वर्णित किया जा सकता है जिसे मानक मॉडल कहा जाता है। वर्तमान में तैयार मानक मॉडल में 61 प्राथमिक कण हैं। वे प्राथमिक कण संयुक्त कणों का निर्माण कर सकते हैं, जो 1960 के दशक से खोजे गए कणों की सैकड़ों अन्य प्रजातियों के लिए जिम्मेदार 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 मौलिक सिद्धांत खोज की प्रतीक्षा कर रहा है (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 छठी शताब्दी ईसा पूर्व से हैं कि सभी पदार्थ मौलिक रूप से प्राथमिक कणों से बने हैं। 19 वीं शताब्दी में,स्टोइकोमेट्री के माध्यम से निष्कर्ष निकाला कि प्रकृति का प्रत्येक तत्व एक एकल, अद्वितीय प्रकार के कण से बना है। ग्रीक शब्द एटमॉस जिसका अर्थ है "अविभाज्य" के बाद से परमाणु  शब्द 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 इलेक्ट्रॉन जैसे छोटे कणों के समूह हैं। 20 वीं शताब्दी की शुरुआत में परमाणु भौतिकी और क्वांटम भौतिकी ने 1939 में लिस मीटनर (ओटो हैन के प्रयोगों के आधार पर) द्वारा परमाणु विखंडन और उसी वर्ष हंस बेथे द्वारा परमाणु संलयन के प्रमाण दिए, 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। सीपी उल्लंघन (CP violation) जैसी महत्वपूर्ण खोजों ने पदार्थ-एंटीमैटर असंतुलन पर नए सवाल उठाए। 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 प्रमात्रा 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 1970 के दशक के मध्य में क्वार्क के अस्तित्व की प्रायोगिक पुष्टि के बाद व्यापक स्वीकृति मिली। यह मध्यस्थता गेज बोसॉन (गेज  बोसोन्स) का उपयोग करते हुए मजबूत,कमजोर और विद्युत चुम्बकीय मौलिक अंतःक्रियाओं का वर्णन करता है। गेज बोसॉन की प्रजातियां आठ ग्लून्स,W−,W+,Z थाबोसॉन और फोटॉन है। 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 (हिग्ग्स  बोसॉन) के नाम से जाना जाता है। 4 जुलाई 2012 को, भौतिकविदों ने घोषणा की कि उन्हें एक नया कण मिला है जो हिग्स बोसोन से 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 (RHIC) है, जो सोने के आयनों और ध्रुवीकृत प्रोटॉन जैसे भारी आयनों से टकराती है। यह दुनिया का पहला भारी आयन कोलाइडर और एकमात्र ध्रुवीकृत प्रोटॉन कोलाइडर है।
 * बडकर इंस्टीट्यूट ऑफ न्यूक्लियर फिजिक्स(नोवोसिबिर्स्क,रूस )।इसकी मुख्य परियोजनाएं अब इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर वीईपीपी-2000(VEPP-2000) हैं, जो 2006 से संचालित है और वीईपीपी-4(VEPP-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(LHC)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 (LEP)शामिल है,जिसे 2 नवंबर 2000 को रोक दिया गया था और फिर LHC के लिए इसे नष्ट कर दिया गया था और सुपर प्रोटॉन सिंक्रोट्रॉन जिसे LHC और निश्चित लक्ष्य प्रयोगों के लिए प्री-एक्लेरेटर के रूप में पुनः प्रयोग किया जा रहा है।
 * डेसी (ड्यूशस इलेक्ट्रोनन-सिंक्रोट्रॉन) (हैम्बर्ग,जर्मनी)। इसकी मुख्य सुविधा हैड्रॉन इलेक्ट्रान रिंग ऐनलेज (हइरए) थी,जो इलेक्ट्रॉनों और पॉज़िट्रॉन को प्रोटॉन से टकराती थी। त्वरक परिसर अब पेट्रा III(PETRA III),फ्लैश (FLASH) और यूरोपीय एक्सएफईएल (European XFEL) 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)। IHEP चीन की कई प्रमुख कण भौतिकी सुविधाओं का प्रबंधन करता है,जिसमें बीजिंग इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर II(BEPC II),बीजिंग स्पेक्ट्रोमीटर (BES),बीजिंग सिंक्रोट्रॉन विकिरण सुविधा (BSRF),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 K2K प्रयोग, न्यूट्रिनो दोलन प्रयोग और बेले II, B मेसन के CP उल्लंघन जैसे कई प्रयोगों का घर है।
 * एसएलएसी राष्ट्रीय त्वरक प्रयोगशाला( मेनलो पार्क, संयुक्त राज्य अमेरिका)। इसके 2-मील लंबे रैखिक कण त्वरक ने 1962 में परिचालन शुरू किया और 2008 तक कई इलेक्ट्रॉन और पोजीट्रॉन 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। SLAC कर्मचारी दुनिया भर में कई कण डिटेक्टरों के विकास और निर्माणमें भाग ले रहा है।

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

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)। आज सैद्धांतिक कण भौतिकी में 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 प्रेक्षणों की मात्रात्मक भविष्यवाणी करते हैं,जिनका प्रयोग कम अनिश्चितता के साथ मानक मॉडल के मापदंडों को निकालने के लिए 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। उन प्रयासों को क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स (quantum chromodynamics) में उच्च सूक्ष्मतामापी मात्रा की गणना करने की कठिनाई से चुनौतीपूर्ण बनाया जाता है। इस क्षेत्र में काम करने वाले कुछ सिद्धांतवादी अपने आप को घटनाविज्ञानी बताते हुए क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत और प्रभावी क्षेत्र सिद्धांत के उपकरणों का उपयोग करते हैं। अन्य जाली क्षेत्र सिद्धांत(lattice field theory) का उपयोग करते हैं और अपने आप को जाली सिद्धांतवादी कहते हैं।

एक अन्य प्रमुख प्रयास मॉडल निर्माण में है जहां मॉडल निर्माता मानक मॉडल (उच्च ऊर्जा या छोटी दूरी पर) से परे भौतिकी के बारे में विचार विकसित करते हैं। 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 या अन्य विचार शामिल हो सकते हैं।

सैद्धांतिक कण भौतिकी में तीसरा प्रमुख प्रयास स्ट्रिंग सिद्धांत( string theory)है। स्ट्रिंग सिद्धांतवादी क्वांटम यांत्रिकी और सामान्य सापेक्षता के 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(Theory of Everything)" या "TOE" माना जा सकता है।

कण ब्रह्मांड विज्ञान से लेकर लूप क्वांटम (loop quantum gravity) गुरुत्वाकर्षण तक के सैद्धांतिक कण भौतिकी में भी काम के अन्य क्षेत्र हैं।

कण भौतिकी में प्रयासों का यह विभाजन arxiv पर श्रेणियों के नामों में परिलक्षित होता है,एक प्रीप्रिंट संग्रह: hep-th (सिद्धांत),hep-ph (घटना विज्ञान),hep-ex (प्रयोग),hep-lat (लैटिस गेज सिद्धांत)।

व्यावहारिक अनुप्रयोग
सिद्धांत रूप में, सभी भौतिकी (और उससे विकसित व्यावहारिक अनुप्रयोग) मौलिक कणों के अध्ययन से प्राप्त किए जा सकते हैं। व्यावहारिक रूप से,भले ही "कण भौतिकी" का मतलब केवल "उच्च-ऊर्जा एटम स्मैशर्स" है, इन अग्रणी जांचों के दौरान कई प्रौद्योगिकियों को विकसित 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 उपयोग किया जाने वाला आइसोटोप) या बाहरी बीम रेडियोथेरेपी में प्रत्यक्ष रूप से उपयोग किया जाता है। कण भौतिकी में उनके उपयोग द्वारा सुपरकंडक्टर्स के विकास को आगे बढ़ाया गया है। वर्ल्ड वाइड वेब और टचस्क्रीन तकनीक को शुरू में सर्न (CERN) 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 जिसे कई अलग-अलग तरीकों से अपनाया जाता है, यह खोजने और समझने के लिए है कि मानक मॉडल से परे भौतिकी क्या हो सकती है। डार्क मैटर और न्यूट्रिनो द्रव्यमान सहित नई भौतिकी की उम्मीद करने के कई शक्तिशाली प्रायोगिक कारण हैं। सैद्धांतिक संकेत भी हैं कि इस नई भौतिकी को सुलभ ऊर्जा पैमाने पर निर्माण किया जाना चाहिए।

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

इसके अलावा महत्वपूर्ण गैर-कोलाइडर 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 बाधाओं को रखा जो कि कोलाइडर प्रयोगों से बहुत अधिक है, जल्द ही किसी भी समय जांच करने में सक्षम हो जाएगा।

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 थी। इस रिपोर्ट ने LHC और ILC में अमेरिकी भागीदारी जारी रखने और अन्य सिफारिशों के अलावा डीप अंडरग्राउंड न्यूट्रिनो प्रयोग के विस्तार पर जोर दिया था  ।

यह भी देखें
• Particle physics and representation theory

• Atomic physics

• Astronomy

• High pressure

• International Conference on High Energy Physics

• Introduction to quantum mechanics

• List of accelerators in particle physics

• List of particles

• Magnetic monopole

• Micro black hole

• Number theory

• Resonance (particle physics)

• Self-consistency principle in high energy physics

• Non-extensive self-consistent thermodynamical theory

• Standard Model (mathematical formulation)

• Stanford Physics Information Retrieval System

• Timeline of particle physics

• Unparticle physics

• Tetraquark

• Track significance

• International Conference on Photonic, Electronic and Atomic Collisions