What is Higgs Boson?

(Thanks to Mr. Badhri Sheshadri for his wonderful article in Tamil on Higgs boson. With due respect and acknowledgment we are presenting the article here.)

இந்த உலகம் எப்படி உருவானது? நம்மைச் சுற்றியுள்ள கோள்களும் நட்சத்திரங்களும் எப்படிப் பிறந்தன? இந்தப் பிரபஞ்சம் உருவானது எப்படி?நீண்டகாலமாக அறிவியல் இந்தக் கேள்விக்கு விடைகாண முயற்சித்துக்கொண்டிருக்கிறது. இதற்கான விடைகள் அவ்வப்போது கீற்றுப் போலத் தென்பட்டுக் கொண்டிருக்கின்றன என்றாலும் பிரபஞ்சத்தின் தோற்றம் பற்றி நமக்கு இன்னமும் ஏகப்பட்ட விடை தெரியாத கேள்விகள் உள்ளன. ஒரு பெருவெடிப்பு என்பதன் மூலமாகத்தான் இப்போதைய பிரபஞ்சம் உருவாகியிருக்க வேண்டும் என்ற கருத்தைக் கிட்டத்தட்ட அனைத்து விஞ்ஞானிகளும் ஏற்றுக்கொண்டிருக்கிறார்கள். என்றாலும் அந்தப் பெருவெடிப்பு நிகழ்ந்த கணத்தைப் பற்றி அறிவியல்ரீதியாக ஒன்றையும் சொல்லமுடியாத நிலையில் இப்போதும் இருக்கிறோம். ஆனால்-

அந்தக் கணத்துக்குச் சில விநாடிகள் கழித்து, பிரபஞ்ச வெளியில் எக்கச்சக்கமாக வெப்பத்தின் ஆற்றல் மட்டுமே விரவி இருந்திருக்கும். அங்கிருந்து எப்படி இத்தனைத் துகள்களும், அவற்றிலிருந்து இத்தனை அணுக்களும், அவற்றிலிருந்து இத்தனை தனிமங்களும், இன்று நாம் காணும் அனைத்தும் உருவாகின? முதலில் இந்தத் துகள்களின் அடிப்படைக் குணங்களான நிறையும் மின்னூட்டமும் எப்படித் தோன்றின?மின்னூட்டம் எப்படி வந்திருக்கலாம் என்பதற்கு சில கோட்பாடுகள் உள்ளன. ஆனால் நிறை எப்படித் தோன்றியிருக்கக்கூடும் என்பதற்கு ஹிக்ஸ் கோட்பாடு ஒன்றுதான் இப்போதைக்கு அறிவார்ந்ததாக உள்ளது. அது என்ன ஹிக்ஸ் கோட்பாடு?

பெருவெடிப்பை ஒட்டிய தருணத்தில் ’ஹிக்ஸ் போஸான்கள்’ என்ற துகள்கள் உருவாகி, பிரபஞ்ச வெளியை முழுமையாக நிறைத்திருக்கவேண்டும். பிற துகள்கள் அடுத்துத் தோன்றியிருக்கவேண்டும். அவை ஹிக்ஸ் புலத்தில் நகர்ந்தபோது ஹிக்ஸ் போஸான்களுடன் ஊடாடி, தமக்கான நிறையைப் பெற்றிருக்கவேண்டும். அதன்பின் இந்தத் துகள்கள் எல்லாம் ஒன்றுகூடி, கொஞ்சம் கொஞ்சமாக அணுக்கள் தோன்றி, அவற்றிலிருந்து இன்று நாம் காணும் இந்தப் பிரபஞ்சப் பெருவெளி, நட்சத்திரங்கள், அண்டங்கள், கோள்கள், தூசுகள் என அனைத்துமே தோன்றியிருக்கவேண்டும். அதாவது பிரபஞ்சத்தின் முதல் துகள் ஹிக்ஸ் போஸான். அதிலிருந்துதான் எல்லாமே உருவாகியிருக்க வேண்டும். ஹிக்ஸ் போஸான் என்றால்?

தமிழ் நாட்டில் இன்று பள்ளிப் பிள்ளைகளுக்குக்கூட அணுவைப் பற்றித் தெரிந்திருக்கும். அணுவின் உள்ளே புரோட்டான், நியூட்ரான், எலெக்ட்ரான் போன்ற அணுத் துகள்கள் இருப்பதாக நாம் பாடப் புத்தகத்தில் படித்துள்ளோம். இந்தத் துகள்களுக்கெல்லாம் அடிப்படையாக இரண்டு இயல்புகள் உண்டு. ஒன்று நிறை (mass), மற்றொன்று மின்னூட்டம் (charge). நம் எல்லோருக்கும் தெரிந்த ஒரு விஷயம் ஒத்த மின்னூட்டம் உடைய இரு பொருள்கள் ஒன்றை ஒன்று விலக்கும்; எதிரெதிர் மின்னூட்டம் உடைய இரு பொருள்கள் ஒன்றை ஒன்று ஈர்க்கும் என்பது. இது அடிப்படை விதிகளில் ஒன்று. ஆனால் ஓர் அணுவின் உட்கருவில் ஒரே மின்னூட்டம் கொண்ட பல புரோட்டான்கள் உள்ளன. அவை ஒன்றை ஒன்று விலக்கி அல்லவா தள்ளவேண்டும்? ஆனால் அப்படியின்றி ஒன்றை ஒன்று இறுக்கிப் பிடித்தபடி ஒரே உட்கருவில் உள்ளனவே? இது எப்படிச் சாத்தியம்?

விஞ்ஞானிகள் இதனை விரிவாக ஆராய்ந்தனர். புரோட்டான், நியூட்ரான் ஆகியவையே அடிப்படைத் துகள்களாக இல்லாதிருக்கலாம் என்ற முடிவுக்கு வந்தனர். இவற்றுக்கும் அடிப்படையாக குவார்க்குகள் என்ற ஆறு துகள்கள் இருக்கவேண்டும் என்றும் அவற்றின் பல்வேறு கூட்டமைப்பே புரோட்டானாகவும் நியூட்ரானாகவும் ஆகியிருக்கவேண்டும் என்றும் முடிவெடுத்தனர்.

இந்தக் குவார்க்குகளுக்கு இடையே மிகவும் வலுவான ஒரு விசை இருக்கவேண்டும் என்ற அவர்கள், இதற்கு ‘வலுவான உட்கரு விசை’ (ஸ்ட்ராங் நியூக்ளியர் ஃபோர்ஸ்) என்று பெயரிட்டனர். இதேபோல ‘வலுவற்ற உட்கரு விசை’ என்ற கருத்தாக்கமும் உருவானது. சில குறிப்பிட்ட கட்டங்களில் ஒரு நியூட்ரான் ஒரு புரோட்டானாக மாறுகிறது. வேறு சில கட்டங்களில் புரோட்டான் ஒன்று எலெக்ட்ரான் ஒன்றைக் கவ்விப் பிடித்து, நியூட்ரானாக உருவெடுக்கிறது. இதுபோன்ற மாற்றங்களுக்குக் காரணம் இந்த வலுவற்ற உட்கரு விசை.

ஆக, நமக்கு ஏற்கெனவே தெரிந்த மின்காந்த விசை, ஈர்ப்பு விசை ஆகியவற்றோடு வலுவற்ற உட்கரு விசை, வலுவான உட்கரு விசை ஆகியவை சேர்ந்து மொத்தம் நான்கு அடிப்படை விசைகள் இருப்பதாக விஞ்ஞானிகள் பேசத் தொடங்கினர். இதைத்தான் ஸ்டாண்டர்ட் மாடல் என்று விஞ்ஞானிகள் சொல்லத் தொடங்கினர்.

துகள்கள: இந்த விசைகள் பரவியிருப்பதை விசைப்புலங்கள் என்றும் அந்த விசைப்புலங்களை சில சில துகள்கள் உருவாக்குவதாகவும் சொல்லலாம். உதாரணமாக மின்காந்த விசைப்புலத்தை உருவாக்குவது போட்டான்கள் என்ற ஒளித்துகள்கள்தான் எனலாம். அப்படியானால் வலுவான உட்கரு விசை, வலுவற்ற உட்கரு விசை ஆகியவற்றை உருவாக்குவதிலும் ஏதேனும் துகள்கள் இருக்குமோ? அப்படிப்பட்ட ஒரு கோட்பாடு உருவாக்கப்பட்டது. வலுவான உட்கரு விசையை உருவாக்கக்கூடிய துகள்களுக்கு குளூவான் என்றும் வலுவற்ற உட்கரு விசையை உருவாக்கும் துகள்களுக்கு டபிள்யூ போஸான், இஸட் போஸான் என்றும் பெயர் தரப்பட்டது. இந்தத் துகள்களை ஏன் போஸான் என்று அழைக்கிறார்கள்?

பால் டிராக் என்ற விஞ்ஞானி,  வேறு சில விஞ்ஞானிகளின் கருத்துகளையும் ஐன்ஸ்டைனின் சார்பியல் விதிகளையும் இணைத்து, எலெக்ட்ரானின் இயக்கத்தை விளக்கும் சமன்பாடுகளை வெளியிட்டார்.அப்போது அவர் இருவிதமான துகள்களைக் கணக்கில் எடுத்துக்கொள்ளவேண்டியிருந்தது. (1) ஒரே குவாண்டம் நிலையில் ஒன்றுக்கும் மேற்பட்ட துகள்கள் இருக்கலாம். (2) ஒன்றுக்கும் மேற்பட்ட துகள்கள் ஒரே குவாண்டம் நிலையில் இருக்க முடியாது. குவாண்டம் நிலை என்றால்?

குவாண்டம் நிலை என்ன என்பதைப் புரிந்து கொள்ள, ஓர் உதாரணம் உதவும். சென்னையில் இருக்கும் பாம்புப் பண்ணையில் இருளர்கள் பாம்புகளைப் பானையில் போட்டு வைத்திருப்பார்கள். ஒரு சிலவகைப் பாம்புகள் பலவற்றை ஒரே பானையில் ஒன்றாகச் சேர்த்து வைக்கலாம். ஆனால் வேறு சிலவகைப் பாம்புகளை அப்படிச் செய்ய முடியாது. ஒரு பானையில் ஒன்று மட்டும்தான். அதே இனத்தைச் சேர்ந்த இன்னொரு பாம்பைக்கூட தன்னுடன் இருக்க அது அனுமதிக்காது. பானைதான் குவாண்டம் நிலை; பாம்புதான் துகள். எலெக்ட்ரான்களை எடுத்துக்கொண்டால், இரு வேறு எலெக்ட்ரான்கள் ஒரே குவாண்டம் நிலையில் இருக்காது. ஆனால் போட்டான் எனப்படும் ஒளித்துகள் பலவும் ஒரே குவாண்டம் நிலையில் இருக்கும்.

இந்த இரண்டுவகைப் பாம்புகளையும் வேவ்வேறு விதமாகக் கையாளவேண்டும் என்பதை டிராக் தெளிவாகப் புரிந்துகொண்டார். அதற்கான கணிதமுறைகளைத் தேடினார். அவருடைய முன்னோடிகள் இதனை ஏற்கெனவே செய்து வைத்திருந்தனர். கல்கத்தாவைச் சேர்ந்த சத்யேந்திர நாத் போஸ், ஒளித்துகளான போட்டானின் இயக்கம் பற்றிச் சில கணக்குகளைச் செய்யும்போது புதுவிதமான ஒரு புள்ளியியல் முறையைக் கண்டுபிடித்திருந்தார். ஆனால் இதனை யாரும் ஏற்கவில்லை. போஸ் சற்றும் மனம் தளராமல் தன் கட்டுரையை ஐன்ஸ்டைனுக்கு அனுப்பிவைத்தார்.

அந்தக் கட்டுரையால் ஈர்க்கப்பட்ட ஐன்ஸ்டைன்,  அதை ஜெர்மன் மொழிக்கு மாற்றிப் பதிப்பிக்கச் செய்தார். நிறையற்ற ஒளித்துகளுக்காக போஸ் உருவாக்கிய கணித முறையை ஐன்ஸ்டைன் நிறை கொண்ட பொருள்களுக்கும் நீட்டித்தார். டிராக் இந்தக் கணித முறையை அப்படியே எடுத்துக்கொண்டார். பல துகள்களும் ஒரே குவாண்டம் நிலையில் இருந்தால், அவை போஸ்-ஐன்ஸ்டைன் புள்ளியியல் முறையில் இயங்கும். எனவே இத்தகைய துகள்களுக்கு  போஸான் என்று பெயர் கொடுத்தார் டிராக்.

ஒரே குவாண்டம் நிலையில் இருக்காத துகள்கள், ஃபெர்மி-டிராக் புள்ளியியல் முறையில் இயங்கும். எனவே இத்தகைய துகள்களை ஃபெர்மியான் என்று அழைத்தார் டிராக் .ஹிக்ஸ் கண்டுபித்த, போஸ்-ஐன்ஸ்டீன் புள்ளியியல் முறையில் இயங்கும் துகள்தான், ஹிக்ஸ் போஸான்.மாற்றி யோசி. பல்வேறு துகள்கள் இருக்கின்றன என்ற உண்மை இன்னொரு கேள்விக்கு இட்டுச் சென்றது. பல்வேறு துகள்களுக்கும் வெவ்வேறு நிறை எப்படி ஏற்படுகிறது? அவற்றுக்கு உள்ளே என்னதான் புகுந்துகொண்டு ஒன்றை அதிக நிறையுடனும், ஒன்றை மிகக் குறைந்த நிறையுடனும், இன்னொன்றை நிறையே இல்லாமலுமாக ஆக்குகிறது?

1963-ல் ஆறு விஞ்ஞானிகள் இது குறித்து விரிவான கோட்பாடு ஒன்றை முன்வைத்தனர். அந்த ஆறு பேரில் ஒருவர்தான் பீட்டர் ஹிக்ஸ். இவர்கள் முன் வைத்த கோட்பாடு, துகள்களின் நிறை பற்றி நாம் அதுவரை வைத்திருந்த கருத்தை ஒட்டுமொத்தமாக மாற்றிப்போட்டது. ஒரு துகளுக்கு உள்ளே இருக்கும் ஏதோ ஒன்று அதன் நிறையைத் தருகிறது என்று யோசிப்பதைவிட, ஒரு துகள் ஒரு விசைப்புலத்தில் செல்லும்போது அதன்மீது உருவாகும் வினைதான் அதன் நிறையைத் தருகிறது என்பதாக ஏன் சிந்திக்கக்கூடாது என்றனர் இவர்கள். இவர்கள் முன் வைத்த கருத்துகளின் முக்கிய அம்சங்கள்:

எப்படி வலுவான/வலுவற்ற உட்கரு விசைப்புலங்களை அவற்றுக்கான துகள்கள் உருவாக்குவதாகச் சொல்கிறோமோ, அதேபோல ஹிக்ஸ் புலத்தை ஹிக்ஸ் போஸான் என்ற துகள் உருவாக்குகிறது. எப்படி மின்காந்தப் புலத்தில் மின்னூட்டம் கொண்ட ஒரு துகள் செல்லும்போது அது உருவாக்கும் மாற்றத்திலிருந்து அதற்கு என்ன மின்னூட்டம் உள்ளது என்பதை நாம் புரிந்துகொள்ள முடியுமோ...அதே போல ஹிக்ஸ் புலத்தில் ஒரு துகள் செல்லும்போது ஏற்படும் மாற்றத்திலிருந்து ஒரு துகளின் நிறை என்ன என்பதை நாம் புரிந்துகொள்ளலாம். இப்படிப் பார்க்கலாம். ஹிக்ஸ் புலத்தில் ஒரு துகள் மிக எளிதாக, வேகமாகச் செல்கிறது என்றால் அதன் நிறை குறைவாக இருக்கவேண்டும். இன்னொரு துகள் சிரமப்பட்டு மெதுவாக நீந்திச் செல்கிறது என்றால் அதன் நிறை அதிகமாக இருக்கவேண்டும்.அதெல்லாம் சரி, உண்மையிலேயே ஹிக்ஸ் போஸான் என்ற துகள் ஒன்று உள்ளதா? அதனைக் கண்டுபிடிக்க முடியுமா?உண்மையிலேயே இருக்கிறதா?

இதற்கு முன்னர் பரிசோதனைச் சாலையில் சில துகள்கள் கண்டுபிடிக்கப்பட்டன. அதேபோல இப்போதும் சில பரிசோதனைகளைச் செய்தால் ஹிக்ஸ் போஸான் என்ற ஒன்று இருக்கிறதா இல்லையா என்று கண்டுபிடித்து விடலாமே?இதில் என்ன சுவாரஸ்யம் என்றால், ஹிக்ஸ் கோட்பாடு உருவானது 1964-ல். அதற்குப்பின், 1970-களில்தான் வலுவான உட்கரு விசை முன்மொழியப்பட்டது. ஆனால் அதன் விளைவாகச் சிந்திக்கப்பட்ட துகள்கள் எல்லாம் கண்டறியப்பட்டுவிட்டன. ஹிக்ஸ் போஸான் துகள் மட்டும் கண்ணில் படவில்லை.அதற்கு ஒரு காரணம் இருந்தது.இந்தத் துகள்களையெல்லாம் கண்டுபிடிக்கவேண்டுமானால் அதிவேகத்தில் செல்லும் இரு அணுத் துகள்களை மோதவிடவேண்டும். அதன் விளைவாக உருவாகும் ஆற்றலில் இந்தத் துகள்கள் உடைந்து, நாம் எதிர்பார்க்கும் சில துகள்கள் கிட்டலாம்.

ஹிக்ஸ் போஸானின் உள்ளார்ந்த ஆற்றல்-நிறை மிக மிக அதிகமானது. பிற துகள்களைக் கண்டுபிடிக்கவேண்டுமானால் இரண்டு எலெக்ட்ரான்களை அல்லது குறைந்த வேகத்தில் செல்லும் இரு புரோட்டான்களை மோதவிட்டால் போதுமானது. ஹிக்ஸ் போஸானைக் கண்டறியவேண்டுமானால் மிக அதிகமான வேகத்தில் இரு புரோட்டான்களை மோதவிட வேண்டியிருக்கும். இதனைச் சாத்தியப்படுத்த நிறையத் தொழில்நுட்ப மேம்பாடு தேவைப்பட்டது. இதன் விளைவாக உருவானதே சுவிட்சர்லாந்தின் செர்ன் ஆராய்ச்சிச் சாலையில் உள்ள லார்ஜ் ஹேட்ரான் கொலைடர் (பெரும் துகள் மோதற்களம்).இந்த மோதற்களத்தில் இரண்டு புரோட்டான்களை அதிவேகத்தில் மோதச் செய்ய முடியும். ஆனால் பல்வேறு தொழில்நுட்ப இடைஞ்சல்கள் ஏற்பட்டுக்கொண்டே இருந்தன. பல்வேறு தொழில்நுட்பச் சிக்கல்களையும் தாண்டி, சென்ற ஆண்டில்தான் லார்ஜ் ஹேட்ரான் கொலைடரில் குறிப்பிட்ட வேகத்தை அடைய முடிந்தது.

அந்தச் சோதனைகளின்போது கிடைத்த தகவல்களை ஆராய்ந்ததில் கிட்டத்தட்ட ஹிக்ஸ் போஸானைக் கண்டுபிடித்துவிட்டோம் என்று இரு விஞ்ஞானிக் குழுக்கள் கடந்த வாரம் (4 ஜூலை 2012) அறிவித்தனர்.கிட்டத்தட்ட என்றால்? இன்னும் முழுமையாகச் சொல்ல முடியாது என்பதுதான். அதாவது மேலும் சில சோதனைகள் தேவை. ஆனால் இதுவரை அறிந்ததிலிருந்து ஹிக்ஸ் போஸான் போல ஒன்று இருப்பது உறுதி. அதாவது ஹிக்ஸின் கோட்பாடு கிட்டத்தட்ட உறுதி.

ஆனால் இதுவே இறுதி கிடையாது. நாளை மேலும் சில கேள்விகள் எழலாம். அப்போது நாம் மேலும் சில புதிய கண்டுபிடிப்புகள் வெளியாகலாம்.ஆனால் சமீப காலத்தில், அதாவது கடந்த கால் நூற்றாண்டில் நிகழ்த்தப்பட்ட மிக முக்கியமான கண்டுபிடிப்பு இது என்று சொல்லலாம்.இதன் அடிப்படைகள் 1920-களிலிருந்து உருவானவை. அதில் இந்தியரான சத்யேந்திர நாத் போஸின் கணிதப் பங்களிப்பு அடிப்படையாக இருப்பது நமக்கெல்லாம் பெருமை.