मूलकण

कण भौतिकी में, प्राथमिक कण या मूल कण एक उप-परमाणु कण होता है जो अन्य कणों से बना नहीं होता है।^[1] वर्तमान में प्राथमिक माने जाने वाले कणों में इलेक्ट्रॉन, मौलिक फ़र्मियन (क्वार्क, लेप्टान, एंटीक्वार्क और एंटीलेप्टन, जो प्रायः पदार्थ कण और प्रतिद्रव्य कण होते हैं), साथ ही साथ मौलिक बोसॉन (गेज बोसॉन और हिग्स बोसॉन) सम्मिलित हैं। जो प्रायः बल के कण होते हैं जो फ़र्मियन के बीच परस्पर क्रियाओं में मध्यस्थता करते हैं।^[1] एक कण जिसमें दो या दो से अधिक प्राथमिक कण होते हैं, मिश्रित कण होता है।

साधारण पदार्थ परमाणुओं से बना होता है, जिसे एक बार प्राथमिक कण माना जाता है - एटमोस का अर्थ ग्रीक में "काटने में असमर्थ" है - हालांकि परमाणु का अस्तित्व लगभग 1905 तक विवादास्पद रहा, क्योंकि कुछ प्रमुख भौतिकविदों ने अणुओं को गणितीय भ्रम माना, और पदार्थ को अंततः ऊर्जा से बना हुआ माना।^[1]^[2] परमाणु के उपपरमाण्विक घटकों की पहली बार 1930 के दशक के प्रारम्भ में इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन के साथ-साथ विद्युत चुम्बकीय विकिरण के कण फोटान के रूप में पहचान की गई थी।^[1] उस समय, क्वांटम यांत्रिकी का हालिया आगमन कणों की अवधारणा को मौलिक रूप से बदल रहा था, क्योंकि कण तरंग के रूप में प्रतीत होता है और क्षेत्र में फैल सकता है, विरोधाभास अभी भी संतोषजनक व्याख्या से दूर है।^[3]^[4]

क्वांटम सिद्धांत के माध्यम से, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन में क्वार्क - अप क्वार्क और डाउन क्वार्क पाए गए - जिन्हें अब प्राथमिक कण माना जाता है।^[1] और एक अणु के भीतर, इलेक्ट्रॉन की स्वतंत्रता की तृतीय कोटि (आवेश, चक्रण, कक्षीय) तरंगफलन के माध्यम से तीन अर्धकण (होलोन, स्पिनॉन और ऑर्बिटन) में अलग हो सकती हैं।^[5] फिर भी एक मुक्त इलेक्ट्रॉन - वह जो परमाणु नाभिक की परिक्रमा नहीं कर रहा है और इसलिए कक्षीय गति का अभाव है - अविभाजित प्रतीत होता है और प्राथमिक कण के रूप में माना जाता है।^[5]

1980 के आसपास, एक प्राथमिक कण की स्थिति वास्तव में पदार्थ के प्राथमिक घटक के रूप में ज्यादातर अधिक व्यावहारिक दृष्टिकोण के लिए खारिज कर दी गई थी,^[1] जो कि कण भौतिकी के मानक मॉडल में सन्निहित है, जिसे विज्ञान के सबसे प्रयोगात्मक रूप से सफल सिद्धांत के रूप में जाना जाता है।^[4]^[6] अतिसममिति सहित मानक मॉडल से परे कई विस्तार और सिद्धांत, प्राथमिक कणों की संख्या को दोगुना करते हैं, यह परिकल्पना करते हुए कि प्रत्येक ज्ञात कण एक "छाया" साथी के साथ कहीं अधिक बड़े पैमाने पर जुड़ा हुआ है,^[7]^[8] हालांकि ऐसे सभी सुपरपार्टनर अनदेखे रहते हैं।^[6]^[9] इस बीच, गुरुत्वाकर्षण की मध्यस्थता करने वाला प्राथमिक बोसॉन काल्पनिक बना हुआ है।^[1]^[10]

अवलोकन

सभी प्राथमिक कण या तो बोसोन या फर्मिअन हैं। इन वर्गों को उनके क्वांटम आँकड़ों से अलग किया जाता है- फ़र्मियन फ़र्मी-डिराक आँकड़ों का पालन करते हैं और बोसॉन बोस-आइंस्टीन आँकड़ों का पालन करते हैं।^[1] उनके चक्रण को चक्रण-सांख्यिकी प्रमेय के माध्यम से विभेदित किया जाता है- यह फर्मियंस के लिए आधा पूर्णांक है, और बोसॉन के लिए पूर्णांक है।

Elementary particles

Elementary fermionsHalf-integer spinObey the Fermi–Dirac statistics

Elementary bosonsInteger spinObey the Bose–Einstein statistics

Quarks and antiquarksSpin = 12Have color chargeParticipate in strong interactions

Leptons and antileptonsSpin = 12No color chargeElectroweak interactions

Gauge bosonsSpin = 1, 2^[‡]Force carriers

Scalar bosonsSpin = 0

Three generations

Up (u),
Down (d)
Charm (c),
Strange (s)
Top (t),
Bottom (b)

Three generations

Electron (
e⁻
),^[†]
Electron neutrino ( $ν e$ )
Muon (
μ⁻
),
Muon neutrino ( $ν μ$ )
Tau (
τ⁻
),
Tau neutrino ( $ν τ$ )

Four kinds

Photon
(
γ
; electromagnetic interaction)
W and Z bosons
(
W⁺
,
W⁻
,
Z
; weak interaction)
Eight types of gluons
(
g
; strong interaction)
Graviton (hypothetical)
(
G
; gravity)^[‡]

Unique

Higgs boson (
H⁰
)

Notes:
[†] An anti-electron (
e⁺
) is conventionally called a “positron”.
[‡] The known force carrier bosons all have spin = 1 and are therefore vector bosons. The hypothetical graviton has spin = 2 and is a tensor boson; it is unknown whether it is a gauge boson as well.

मानक मॉडल में, प्रारंभिक कणों को भविष्यसूचक उपयोगिता के लिए बिंदु कणों के रूप में दर्शाया जाता है। हालांकि बेहद सफल, मानक मॉडल गुरुत्वाकर्षण की कमी से सीमित है और इसमें कुछ पैरामीटर मनमाने ढंग से जोड़े गए हैं लेकिन अस्पष्टीकृत हैं।^[11]

प्राथमिक कणों की ब्रह्मांडीय प्रचुरता

बिग बैंग न्यूक्लियोसिंथेसिस के वर्तमान मॉडलों के अनुसार, ब्रह्मांड के दृश्यमान पदार्थ की प्रारंभिक संरचना लगभग 75% हाइड्रोजन और 25% हीलियम-4 (द्रव्यमान में) होनी चाहिए। न्यूट्रॉन एक अप और दो डाउन क्वार्क से बने होते हैं, जबकि प्रोटॉन दो अप और एक डाउन क्वार्क से बने होते हैं। चूंकि अन्य सामान्य प्राथमिक कण (जैसे इलेक्ट्रॉन, न्यूट्रिनो, या मंद बोसोन) परमाणु नाभिक की तुलना में इतने हल्के या इतने दुर्लभ होते हैं, हम अवलोकनीय ब्रह्मांड के कुल द्रव्यमान में उनके बड़े पैमाने पर योगदान की उपेक्षा कर सकते हैं। इसलिए, कोई यह निष्कर्ष निकाल सकता है कि ब्रह्मांड के अधिकांश दृश्यमान द्रव्यमान में प्रोटॉन और न्यूट्रॉन होते हैं, जो सभी बेरोनों की तरह, बदले में क्वार्क और डाउन क्वार्क से मिलकर बनता है।

कुछ अनुमानों का अर्थ है कि अवलोकनीय ब्रह्मांड में लगभग 10⁸⁰ बेरियन (लगभग पूरी तरह से प्रोटॉन और न्यूट्रॉन) हैं।^[12]^[13]^[14]

अवलोकन योग्य ब्रह्मांड में प्रोटॉन की संख्या को एडिंगटन संख्या कहा जाता है।

कणों की संख्या के संदर्भ में, कुछ अनुमानों का अर्थ है कि लगभग सभी पदार्थ, डार्क मैटर को छोड़कर, न्यूट्रिनो में होते हैं, जो दृश्यमान ब्रह्मांड में उपस्थित पदार्थ के लगभग 10⁸⁶ प्राथमिक कणों में से अधिकांश का गठन करते हैं।^[14] अन्य अनुमानों का अर्थ है कि मोटे तौर पर 10⁹⁷ प्राथमिक कण दृश्यमान ब्रह्मांड (डार्क मैटर सम्मिलित नहीं हैं) में उपस्थित हैं ज्यादातर फोटॉन और अन्य द्रव्यमान रहित बल वाहक हैं।^[14]

मानक मॉडल

कण भौतिकी के मानक मॉडल में प्राथमिक फ़र्मियन के 12 गंध होते हैं, साथ ही उनके संबंधित विरोधी कण, साथ ही प्राथमिक बोसॉन जो कि बलों और हिग्स बोसोन की मध्यस्थता करते हैं, जो 4 जुलाई, 2012 को रिपोर्ट किया गया था। जैसा कि लार्ज हैड्रोन कोलाइडर (एटीएलएएस (ATLAS) और सीएमएस (CMS)) में दो मुख्य प्रयोगों द्वारा पता चला है।^[1] मानक मॉडल को वास्तव में मौलिक सिद्धांत के स्थान पर व्यापक रूप से एक अस्थायी सिद्धांत माना जाता है, हालांकि, यह ज्ञात नहीं है कि यह आइंस्टीन की सामान्य सापेक्षता के साथ संगत है या नहीं। मानक मॉडल द्वारा वर्णित नहीं किए गए काल्पनिक प्राथमिक कण हो सकते हैं, जैसे कि ग्रेविटॉन, वह कण जो गुरुत्वाकर्षण बल को वहन करेगा, और स्पार्टिकल्स, साधारण कणों के सुपरसिमेट्रिक पार्टनर।^[15]

मौलिक फ़र्मियन

12 मूलभूत फर्मों को 4 कणों की 3 पीढ़ियों में विभाजित किया गया है। आधे फ़र्मियन लेप्टान हैं, जिनमें से तीन में -1 का विद्युत आवेश होता है, जिसे इलेक्ट्रॉन (
e⁻
), म्यूऑन (
μ⁻
), और टाऊ (
τ⁻
) कहा जाता है, अन्य तीन लेप्टान न्यूट्रिनो (
ν
_e,
ν
_μ,
ν
_τ) हैं, जो न तो विद्युत और न ही रंग आवेश वाले एकमात्र प्राथमिक फ़र्मियन हैं। शेष छह कण क्वार्क (नीचे चर्चा की गई है) हैं।

उत्पादन

**कण उत्पादन**
लेप्टॉन
प्रथम उत्पादन		द्वितीय उत्पादन		तृतीय उत्पादन
नाम	प्रतीक	नाम	प्रतीक	नाम	प्रतीक
इलेक्ट्रॉन	e⁻	म्यूऑन	μ⁻	टाऊ	τ⁻
इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो	$ν e$	म्यूऑन न्यूट्रिनो	$ν μ$	टाऊ न्यूट्रिनो	$ν τ$
क्वार्क्स
प्रथम उत्पादन		द्वितीय उत्पादन		तृतीय उत्पादन
अप क्वार्क	u	आकर्षण क्वार्क	c	शीर्ष क्वार्क	t
डाउन क्वार्क	d	विचित्र क्वार्क	s	निचला क्वार्क	b

द्रव्यमान

निम्न तालिका माप के समान पैमाने का उपयोग करते हुए, सभी फ़र्मियन के लिए वर्तमान मापे गए द्रव्यमान और द्रव्यमान अनुमानों को सूचीबद्ध करती है- प्रकाश गति के वर्ग (MeV/c²) के सापेक्ष लाखों इलेक्ट्रॉन-वोल्ट। उदाहरण के लिए, सबसे सटीक रूप से ज्ञात क्वार्क द्रव्यमान 172.7 GeV/c² या 172700 MeV/c² पर शीर्ष क्वार्क (
t
) का है, जिसका अनुमान ऑन-शेल योजना का उपयोग करके लगाया गया है।

प्राथमिक फ़र्मियन द्रव्यमान के लिए वर्तमान मान
कण प्रतीक	कण नाम	द्रव्यमान मान	क्वार्क द्रव्यमान आकलन योजना (बिंदु)
$ν e, ν μ, ν τ$	न्युट्रीनो (किसी भी प्रकार)	< 2 eV/c²^[16]
e⁻	इलेक्ट्रॉन	0.511 MeV/c²
u	अप क्वार्क	1.9 MeV/c²	एमएसबार योजना (μ_MS = 2 GeV)
d	डाउन क्वार्क	4.4 MeV/c²	एमएसबार योजना (μ_MS = 2 GeV)
s	विचित्र क्वार्क	87 MeV/c²	एमएसबार योजना (μ_MS = 2 GeV)
μ⁻	म्यूऑन (म्यू लेप्टॉन )	105.7 MeV/c²
c	आकर्षण क्वार्क	1320 MeV/c²	एमएसबार योजना (μ_MS = m_c)
τ⁻	टॉऔन (टॉऊ लेप्टॉन)	1780 MeV/c²
b	निचला क्वार्क	4240 MeV/c²	एमएसबार योजना (μ_MS = m_b)
t	शीर्ष क्वार्क	172700 MeV/c²	ऑन-शेल योजना

क्वार्क द्रव्यमान के मानों का अनुमान क्वार्क परस्पर क्रियाओं का वर्णन करने के लिए उपयोग किए जाने वाले क्वांटम वर्णगतिकी के संस्करण पर निर्भर करता है। क्वार्क हमेशा ग्लून्स के एक आवरण में सीमित होते हैं जो मेसन और बेरियानों को बहुत अधिक द्रव्यमान प्रदान करते हैं जहां क्वार्क होते हैं, इसलिए क्वार्क द्रव्यमान के मानों को सीधे मापा नहीं जा सकता है। चूंकि उनका द्रव्यमान आसपास के ग्लून्स के प्रभावी द्रव्यमान की तुलना में बहुत छोटा है, इसलिए गणना में साधारण अंतर द्रव्यमानों में बड़े अंतर पैदा करते हैं।

प्रतिकण

इन 12 कणों के अनुरूप 12 मौलिक फ़र्मोनिक प्रतिकण भी हैं। उदाहरण के लिए, एंटीइलेक्ट्रॉन (पॉज़िट्रॉन)
e⁺
इलेक्ट्रॉन का प्रतिकण है और इसमें +1 का विद्युत आवेश होता है।

**कण उत्पादन**
एंटीलेप्टोन
प्रथम उत्पादन		द्वितीय उत्पादन		तृतीय उत्पादन
नाम	प्रतीक	नाम	प्रतीक	नाम	प्रतीक
पॉज़िट्रॉन	e⁺	प्रतिम्यूऑन	μ⁺	प्रतिटाऊ	τ⁺
इलेक्ट्रान प्रतिन्यूट्रिनो	$ν e$	म्यूऑन प्रतिन्यूट्रिनो	$ν μ$	टाऊ प्रतिन्यूट्रिनो	$ν τ$
प्रतिक्वार्क
प्रथम उत्पादन		द्वितीय उत्पादन		तृतीय उत्पादन
अप एंटीक्वार्क	u	आकर्षण एंटीक्वार्क	c	शीर्ष एंटीक्वार्क	t
डाउन एंटिकार्क	d	विचित्र एंटीक्वार्क	s	निचला एंटीक्वार्क	b

क्वार्क्स

पृथक क्वार्क और एंटीक्वार्क का कभी पता नहीं चला है, यह एक तथ्य है जिसे परिरोधन द्वारा समझाया गया है। प्रत्येक क्वार्क प्रबल अन्योन्यक्रिया के तीन रंग आवेशों में से एक को धारण करता है प्रतिक्वार्क समान रूप से प्रतिरंग धारण करते हैं। रंग-आवेशित कण ग्लूऑन विनिमय के माध्यम से उसी तरह परस्पर क्रिया करते हैं जैसे आवेश किए गए कण फोटॉन विनियम के माध्यम से परस्पर क्रिया करते हैं। हालांकि, ग्लून्स स्वयं रंग-आवेशित होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप प्रबल बल का प्रवर्धन होता है क्योंकि रंग-आवेशित कण अलग हो जाते हैं। विद्युत चुम्बकीय बल के विपरीत, जो आवेशित कणों के अलग होने पर कम हो जाता है, रंग-आवेशित कण बढ़ते हुए बल को अनुभव करते हैं।

फिर भी, रंग-आवेशित कण हैड्रोन नामक रंग तटस्थ मिश्रित कणों को बनाने के लिए संयोजित हो सकते हैं। क्वार्क प्रतिक्वार्क के साथ जोड़ी बना सकता है- क्वार्क का एक रंग होता है और प्रतिक्वार्क का संगत प्रतिरंग होता है। रंग और प्रतिरंग रद्द हो जाते हैं, जिससे रंग उदासीन मेसन बन जाता है। वैकल्पिक रूप से, तीन क्वार्क एक साथ उपस्थित हो सकते हैं, क्वार्क "लाल", अन्य "नीला", अन्य "हरा"। ये तीन रंगीन क्वार्क मिलकर रंग-उदासीन बेरिऑन बनाते हैं। सममित रूप से, "एंटीरेड", "एंटीब्लू" और "एंटीग्रीन" रंगों के साथ तीन एंटीक्वार्क रंग-उदासीन एंटीबेरिऑन बना सकते हैं।

क्वार्क में भिन्नात्मक विद्युत आवेश भी होते हैं, लेकिन चूंकि वे हैड्रोन के भीतर सीमित होते हैं जिनके सभी आवेश अभिन्न होते हैं, भिन्नात्मक आवेश कभी अलग नहीं किए जाते हैं। ध्यान दें कि क्वार्क का वैद्युत आवेश या तो +2⁄3 या -1⁄3 होता है, जबकि प्रतिक्वार्क का संगत वैद्युत आवेश या तो −2⁄3 या +1⁄3 होता है।

क्वार्क के अस्तित्व के लिए साक्ष्य गहरे अप्रत्यास्थ प्रकीर्णन से आता है- नाभिक (जो कि बेरिऑन हैं) पर आवेश के वितरण को निर्धारित करने के लिए नाभिक पर इलेक्ट्रॉनों को फैंकना। यदि आवेश एकसमान है, तो प्रोटॉन के चारों ओर का विद्युत क्षेत्र एक समान होना चाहिए और इलेक्ट्रॉन को प्रत्यास्थ रूप से बिखरना चाहिए। कम-ऊर्जा वाले इलेक्ट्रॉन इस तरह बिखरते हैं, लेकिन, विशेष ऊर्जा के ऊपर, प्रोटॉन कुछ इलेक्ट्रॉनों को बड़े कोणों से विक्षेपित करते हैं। प्रतिक्षेप इलेक्ट्रॉन में बहुत कम ऊर्जा होती है और कणों का एक जेट उत्सर्जित होता है। इस अप्रत्यास्थ प्रकीर्णन से पता चलता है कि प्रोटॉन में आवेश एकसमान नहीं है बल्कि छोटे आवेशित कणों क्वार्कों के बीच विभाजित होता है।

मौलिक बोसॉन

मानक मॉडल में, वेक्टर (चक्रण-1) बोसॉन (ग्लूऑन, फोटॉन, और डब्ल्यू (W) और जेड (Z) बोसॉन) मध्यस्थ बल हैं, जबकि हिग्स बोसॉन (चक्रण-0) कणों के आंतरिक द्रव्यमान के लिए जिम्मेदार है। बोसॉन फ़र्मियन से इस तथ्य में भिन्न होते हैं कि एकाधिक बोसॉन एक ही क्वांटम स्थिति (पाउली अपवर्जन सिद्धांत) पर कब्जा कर सकते हैं। इसके अलावा, बोसॉन या तो प्रारंभिक हो सकते हैं, जैसे फोटॉन, या संयोजन, जैसे मेसॉन। बोसॉन का चक्रण आधे पूर्णांक के स्थान पर पूर्णांक होता है।

ग्लून्स

ग्लून्स मजबूत अंतःक्रिया को मध्यस्थ करते हैं, जो क्वार्क से जुड़ते हैं और इस प्रकार हैड्रोन बनाते हैं, जो या तो बेरिऑन (तीन क्वार्क) या मेसॉन (एक क्वार्क और एक एंटीक्वार्क) होते हैं। प्रोटॉन और न्यूट्रॉन बेरोन हैं, जो परमाणु नाभिक बनाने के लिए ग्लून्स से जुड़ते हैं। क्वार्क की तरह, ग्लून्स रंग और प्रतिरंग प्रदर्शित करते हैं - दृश्य रंग की अवधारणा से असंबंधित और बल्कि कणों की दृढ़ परस्पर क्रिया - कभी-कभी संयोजन में, ग्लून्स के कुल मिलाकर आठ रूपांतर है।

विद्युत दुर्बल बोसॉन

तीन दुर्बल गेज बोसॉन हैं- W⁺, W⁻, और Z⁰ ये दुर्बल अंतःक्रिया में मध्यस्थता करते हैं। W बोसॉन परमाणु क्षय में उनकी मध्यस्थता के लिए जाने जाते हैं- W⁻ न्यूट्रॉन को प्रोटॉन में परिवर्तित करता है और फिर इलेक्ट्रॉन और इलेक्ट्रॉन-प्रतिन्यूट्रिनो युग्म में क्षय होता है। Z⁰ कण गंध या आवेशों को परिवर्तित नहीं करता है, बल्कि गति को बदलता है प्रत्यास्थ प्रकीर्णन न्यूट्रिनो के लिए यह एकमात्र तंत्र है। न्यूट्रिनो-जेड (Z) विनियम से इलेक्ट्रॉनों में संवेग परिवर्तन के कारण दुर्बल गेज बोसॉन की खोज की गई थी। द्रव्यमान रहित फोटॉन विद्युत चुम्बकीय संपर्क में मध्यस्थता करता है। ये चार गेज बोसॉन प्राथमिक कणों के बीच विद्युतीय संपर्क बनाते हैं।

हिग्स बोसॉन

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