ശാസ്ത്രത്തിന് ഇനിയും പിടികൊടുക്കാത്ത ശ്യാമദ്രവ്യം പോലുള്ള പ്രതിഭാസങ്ങളുടെ നിഗൂഢത അനാവരണം ചെയ്യാന്‍ പുതിയ മൗലികബലത്തിന്റെ കണ്ടെത്തല്‍ സഹായിച്ചേക്കും

ശാസ്ത്രഗ്രന്ഥകാരന്‍ റിച്ചാര്‍ഡ് പേനക് 2011 ല്‍ പ്രസിദ്ധീകരിച്ച പുസ്തകത്തിന് വിചിത്രമായ പേരാണിട്ടത്-'നാലു ശതമാനം പ്രപഞ്ചം' ('The 4% Universe'). കേള്‍ക്കുമ്പോള്‍ കൗതുകമുണ്ടെങ്കിലും, പ്രപഞ്ചശാസ്ത്രത്തില്‍ പ്രാഥമിക ധാരണയെങ്കിലും ഉള്ളവര്‍ക്ക് ഇതിലത്ര അത്ഭുതം തോന്നാനിടയില്ല. കാരണം, ഈ മഹാപ്രപഞ്ചത്തിന്റെ വെറും നാലുശതമാനം ഉള്ളടക്കം മാത്രമേ നമുക്കറിയാവൂ, ബാക്കി 96 ശതമാനവും 'ഇരുട്ടാ'ണ്!

ആധുനിക പ്രപഞ്ചശാസ്ത്രം അനുസരിച്ച്, പ്രപഞ്ചത്തിന്റെ ആകെ ഉള്ളടക്കത്തില്‍ 23 ശതമാനം ശ്യാമദ്രവ്യവും (dark matter), 73 ശതമാനം ശ്യാമോര്‍ജവും (dark energy) ആണ്. സര്‍പ്പിള ഗാലക്‌സികളെ (spiral galaxy) ആ രൂപത്തില്‍ നിലനില്‍ക്കാന്‍ ശ്യാമദ്രവ്യം സഹായിക്കുമ്പോള്‍, പ്രപഞ്ചവികാസത്തിന് ആക്കംകൂട്ടുന്നത് ശ്യാമോര്‍ജം ആണെന്നു കരുതുന്നു. രണ്ടും ചേര്‍ന്നാല്‍ 96 ശതമാനം. ബാക്കിയുള്ള വെറും നാലുശതമാനം മാത്രമാണ് ദൃശ്യപ്രപഞ്ചം, നമുക്ക് നേരിട്ട് നിരീക്ഷിക്കാനും പഠിക്കാനും കഴിയുന്ന പ്രപഞ്ചം!

എന്താണ് ശ്യാമദ്രവ്യം? എന്താണ് ശ്യാമോര്‍ജം? ഏത് ദ്രവ്യരൂപമാണ് 'ഇരുണ്ട' പ്രപഞ്ചത്തെ ഭരിക്കുന്നത്? ഏതുതരം ബലങ്ങളുടെ നിയന്ത്രണത്തിലാണ് ശ്യാമദ്രവ്യവും ശ്യാമോര്‍ജവും സ്ഥിതിചെയ്യുന്നത്? ആര്‍ക്കും അറിയില്ല. ഇക്കാര്യം കണ്ടുപിടിക്കുക എന്നതാണ്, ഇരുപത്തൊന്നാം നൂറ്റാണ്ടില്‍ ഭൗതികശാസ്ത്രം നേരിടുന്ന വെല്ലുവിളി. 

NGC 6814 Galaxy
NGC 6814 സര്‍പ്പിള ഗാലക്‌സി. പുതിയ മൗലികബലം സ്ഥിരീകരിച്ചാല്‍, ഗാലക്‌സികളുടെ ഈ ആകൃതിയുടെ രഹസ്യവും വെളിപ്പെട്ടേക്കും. Pic Credit: ESA/Hubble & NASA; Acknowledgement: Judy Schmidt.

ലോകമെമ്പാടും, ഭൂമിക്കടിയില്‍ ഖനികളിലും തടാകങ്ങളിലും ബഹിരാകാശത്തും, കണികാത്വരകങ്ങളും റേഡിയോ ടെലസ്‌കോപ്പുകളും ന്യൂട്രിനോ നിരീക്ഷണ ഉപകരണങ്ങളും ബഹിരാകാശ ടെലസ്‌കോപ്പുകളുമൊക്കെ ഈ പ്രപഞ്ചസമസ്യയ്ക്ക് ഉത്തരം തേടുകയാണ്. 

ഈ പശ്ചാത്തലത്തില്‍ വേണം, അറ്റില്ല ക്രാസ്‌നഹോര്‍ക്കെയ് (Attila Krasznahorkay) എന്ന ഗവേഷകന്‍ നേതൃത്വം നല്‍കുന്ന ഹംഗേറിയന്‍ സംഘം അടുത്തയിടെ വെളിപ്പെടുത്തിയ മുന്നേറ്റത്തിന്റെ പ്രസക്തിയും പ്രാധാന്യവും മനസിലാക്കാന്‍. ഗവേഷകരുടെ അനുമാനം ശരിയാണെങ്കില്‍, പ്രപഞ്ചത്തെ ഭരിക്കുന്ന ബലങ്ങളില്‍ പുതിയൊരെണ്ണത്തെ തിരിച്ചറിഞ്ഞിരിക്കുകയാണ് അവര്‍. ശ്യാമദ്രവ്യം, ശ്യാമോര്‍ജം എന്നീ സമസ്യകളെ മനസിലാക്കാന്‍ പുതിയ ബലം സഹായിച്ചേക്കുമെന്നാണ് പ്രതീക്ഷ. 

പ്രപഞ്ചത്തിന്റെ ഘടന സൂക്ഷ്മതലത്തില്‍ വിശദീകരിക്കുന്ന 'സ്റ്റാന്‍ഡേര്‍ഡ് മോഡല്‍' (Standard Model of particle physics) പ്രകാരം നാലു മൗലികബലങ്ങളാണുള്ളത്-ഗുരുത്വബലം (gravitation), വൈദ്യുതകാന്തിക ബലം (electromagnetism), ആറ്റമിക ന്യൂക്ലിയസിനെ നിലനിര്‍ത്തുന്ന തീവ്രബലം (strong force), ആറ്റമിക ന്യൂക്ലിയസിനെ പിളര്‍ത്തുന്ന ക്ഷീണബലം (weak force). ഇവ കൂടാതെ ഒരു അഞ്ചാംബലം കൂടി പ്രപഞ്ചത്തിലുണ്ടെന്നാണ്, പുതിയ പഠനം നല്‍കുന്ന സൂചന!

ശ്യാമദ്രവ്യത്തിന്റെ കണങ്ങളെന്ന് സങ്കല്‍പ്പിക്കപ്പെടുന്ന 'ഡാര്‍ക്ക് ഫോട്ടോണുകളെ' ('dark photons') കണ്ടെത്താന്‍ ശ്രമിക്കുകയായിരുന്നു ക്രാസ്‌നഹോര്‍ക്കെയുടെ നേതൃത്വത്തിലുള്ള സംഘം. ഹംഗറിയിലെ ന്യൂക്ലിയര്‍ റിസര്‍ച്ച് ലാബില്‍ (Atomki Institute of Nuclear Research) ആയിരുന്നു പരീക്ഷണം. 

Attila Krasznahorkay
അറ്റില്ല ക്രാസ്‌നഹോര്‍ക്കെയ്.
Pic Credit: ATLAS e-News, CERN

ലിഥിയം-7 ഐസോടോപ്പിലേക്ക് പ്രോട്ടോണുകളെ ഉന്നതവേഗത്തില്‍ പതിപ്പിക്കുമ്പോള്‍ ബരിലിയം-8 (beryllium-8) ഐസോടോപ്പ് സൃഷ്ടിക്കപ്പെടും. അസ്ഥിര ഐസോടോപ്പായ ബരിലിയം-8 ന് റേഡിയോആക്ടീവ് അപചയം (Radioactive decay) സംഭവിക്കുന്നത് സസൂക്ഷ്മം പരിശോധിച്ചപ്പോള്‍, ചില അസാധാരണ വ്യതിയാനങ്ങള്‍ ഗവേഷകര്‍ നിരീക്ഷിച്ചു. ബരിലിയം-8 ല്‍ നിന്നുള്ള കണങ്ങളുടെ അപചയവേളയില്‍ പ്രതീക്ഷിക്കാത്ത തരത്തില്‍ പ്രകാശം ഉണ്ടാകുന്നു. മാത്രമല്ല, അപചയഫലമായി ഇലക്ട്രോണുകളും പൊസിട്രോണുകളും പരസ്പരം 140 ഡിഗ്രി വ്യത്യാസത്തിലാണ് പുറത്തുവരുന്നത്. 

ഊര്‍ജസംരക്ഷണ നിയമം പ്രകാരം ഇങ്ങനെ സംഭവിക്കാന്‍ പാടില്ലാത്തതാണ്. പക്ഷേ, പല പ്രാവശ്യം ആവര്‍ത്തിച്ച് പരീക്ഷിച്ചപ്പോഴും ഫലം ഇതു തന്നെയായിരുന്നു. ബരിലിയം-8 ന്റെ അപചയം നടക്കുമ്പോള്‍ അറിയപ്പെടാത്ത ഒരു കണം സൃഷ്ടിക്കപ്പെടുന്നതായും, അത് വേഗം വിഘടിച്ച് ഇല്ലാതാകുന്നതായും ഗവേഷകര്‍ വിലയിരുത്തി. 2015 ലാണ് ഹംഗേറിയന്‍ ഗവേഷകര്‍ ഈ വിവരം പുറത്തുവിട്ടത് (arXive, April 7, 2015). 

യു.എസിലെ ഇര്‍വിനില്‍ കാലിഫോര്‍ണിയ സര്‍വ്വകലാശാലയിലെ ജോനാതന്‍ ഫെങും (Jonathan Feng) സംഘവും ബരിലിയം-8 ന്റെ അപചയം പരിശോധിച്ചപ്പോഴും മേല്‍സൂചിപ്പിച്ച ഫലം തന്നെ ആവര്‍ത്തിച്ചു ലഭിച്ചു. പുതിയ കണത്തിന്റെ ദ്രവ്യമാനം 17 മെഗാഇലക്ട്രോണ്‍വോള്‍ട്ട്‌സ് (17 MeV) ആണെന്ന് അവര്‍ കണക്കാക്കി. പക്ഷേ, അത് 'ഡാര്‍ക്ക് ഫോട്ടോണ്‍' അല്ല, പുതിയൊരിനം ബോസോണ്‍ (boson) ആണെന്ന് ഫെങും സംഘവും തിരിച്ചറിഞ്ഞു. 

MTA-Atomki Lab
ഹംഗേറിയന്‍ ഗവേഷകരുടെ ലാബ്. Pic Credit: MTA-Atomki

സ്റ്റാന്‍ഡേര്‍ഡ് മോഡല്‍ പ്രകാരം ബലങ്ങളുടെ വാഹകരാണ് ബോസോണുകള്‍. ഓരോ ബലത്തിനും അടിസ്ഥാനമായ ഓരോ ബോസോണുകളുണ്ട്. വൈദ്യുതകാന്തികബലത്തിന്റെ കാര്യത്തില്‍ അത് ഫോട്ടോണ്‍ ആണ്. തീവ്രബലത്തില്‍ അത് ഗ്ലുവോണും, ക്ഷീണബലത്തിന്റെ ഇടനിലക്കാര്‍ ഡബ്ല്യു, സെഡ് ബോസോണുകളും (W and Z bosons) ആണ്.

ബലവും കണവും തമ്മില്‍ എന്താണ് ബന്ധമെന്ന് തോന്നാം. ക്ലാസിക്കല്‍ ഭൗതികം അനുസരിച്ച് ഏതെങ്കിലുമൊരു വസ്തുവിന്റെ ചലനാവസ്ഥയില്‍ വ്യത്യാസമുണ്ടാക്കാന്‍, അല്ലെങ്കില്‍ ഒരു വസ്തുവിന്റെ ആകൃതിയില്‍ വ്യത്യാസമുണ്ടാക്കാന്‍ പ്രയോഗിക്കപ്പെടുന്ന ശേഷിയെ ആണ് 'ബല'മെന്ന് നിര്‍വചിക്കുന്നത്. എന്നാല്‍, കണികാഭൗതികത്തില്‍ കഥ വ്യത്യസ്തമാണ്. പരമ്പരാഗതമായി 'ബലങ്ങള്‍' എന്ന് നമ്മള്‍ കരുതുന്ന സംഗതിയില്‍ നിന്ന് തികച്ചും വ്യത്യസ്തമായ തലത്തിലാണ്, കണികാഭൗതികം 'ബലങ്ങളെ' പരിഗണിക്കുന്നത്. 'നാല് അടിസ്ഥാന ബലങ്ങള്‍' എന്നതിനെ, കണികാശാസ്ത്രജ്ഞര്‍ 'നാല് അടിസ്ഥാന ഇന്ററാക്ഷനുകള്‍ (പരസ്പരക്രിയകള്‍)' എന്ന് വിളിക്കുന്നു. 

Jonathan Feng
ജോനാതന്‍ ഫെങ്. Pic Credit:
University of California, Irvine.

കണികാഭൗതികം അനുസരിച്ച് ഏതെങ്കിലും കണികകള്‍ തമ്മിലുള്ള പരസ്പരക്രിയ ആണ് ഓരോ അടിസ്ഥാനബലത്തിനും നിദാനം. വ്യത്യസ്ത ബോസോണുകളാണ് വ്യത്യസ്ത ബലങ്ങളുടെ വാഹകര്‍. അതിനാല്‍, പുതിയൊരു ബോസോണിനെ തിരിച്ചറിയുക എന്നു പറഞ്ഞാല്‍, ഇതുവരെ അറിയാത്ത ഒരു മൗലികബലത്തിന്റെ സൂചനയാണത്. വൈദ്യുതകാന്തികബലം, തീവ്രബലം, ക്ഷീണബലം എന്നിവ ചേര്‍ന്ന് കൂടുതല്‍ മൗലികമായ ഒരു ഏകീകൃത ബലത്തിലേക്ക് നമ്മളെ നയിക്കുന്നതാകാം പുതിയ കണ്ടെത്തലെന്ന് ഫെങ് അഭിപ്രായപ്പെട്ടു. 2016 ല്‍ ഇക്കാര്യം ഫെങും സംഘവും പ്രസിദ്ധീകരിച്ചു (arXive, April 25, 2016). 

ബരിലിയം-8 ഐസോടോപ്പിന്റെ അപചയവേളയില്‍ നിരീക്ഷിച്ച അതേ സംഗതി, ഹീലിയം ആറ്റങ്ങളുപയോഗിച്ച് നടത്തിയ പരീക്ഷണത്തിലും ലഭിച്ചതായി ഹംഗേറിയന്‍ സംഘം ഇപ്പോള്‍ റിപ്പോര്‍ട്ടു ചെയ്യുന്നു (arXive, Oct 23, 2019). പുതിയ ബോസോണിന് 'എക്‌സ് 17' (X17) എന്നാണ് ക്രാസ്‌നഹോര്‍ക്കെയും സംഘവും പേരിട്ടിരിക്കുന്നത്. 

വരും വര്‍ഷങ്ങളില്‍ കൂടുതല്‍ പരീക്ഷണഫലങ്ങള്‍ ഇതു സംബന്ധിച്ച് കിട്ടുമെന്നാണ് ഗവേഷകരുടെ പ്രതീക്ഷ. ശ്യാമദ്രവ്യം, ശ്യാമോര്‍ജം തുടങ്ങിയ കീറാമുട്ടി പ്രശ്‌നങ്ങളെ അടുത്തറിയാന്‍ പുതിയ കണവും പുതിയ ബലവും സഹായിക്കുമെന്നും അവര്‍ കരുതുന്നു.

അവലംബം -

* New evidence supporting the existence of the hypothetic X17 particle. By A.J.Krasznahorkay, et al. arXive.org, Submitted on Oct 23, 2019. 
* Observation of Anomalous Internal Pair Creation in 8Be: A Possible Signature of a Light, Neutral Boson. By A.J. Krasznahorkay, et al. arXive.org, Submitted on April 7, 2015.  
* Protophobic Fifth Force Interpretation of the Observed Anomaly in 8Be Nuclear Transitions. By Jonathan L. Feng, et al. arXive.org, Submitted on April 25, 2016.  
* Has a Hungarian physics lab found a fifth force of nature? By Edwin Cartlidge. Nature, Aug 17, 2016.
* Physicists see new hints of a fifth force of nature hidden in helium. By Stuart Clark. NewScientist, Nov 19, 2019. 

* മാതൃഭൂമി നഗരം പേജില്‍ പ്രസിദ്ധീകരിച്ചത് 

Content Highlights: Fifth Force of Nature, Fundamental Forces, Attila Krasznahorkay, Jonathan Feng, Dark Matter, Standard Model, X17 particle, Particle Physics