समता उल्लंघन (Violation of parity)

(भौतिकी). पॅरिटी उल्लंघन. सममिती (symmetry) आणि अक्षय्यत्वाचे नियम (conservation law) ह्या भौतिकीमधील महत्त्वाच्या संकल्पना आहेत. समता अथवा परावर्तन सममिती (reflection symetry) ही अशीच एक सममिती आहे आणि तिचे उल्लंघन होत नाही असे भौतिकीमध्ये मानले जात असे. परंतु बीटा ऱ्हासामध्ये ( $\beta$ decay) समताचे उल्लंघन होते असे चियान-शिंग वू (Chien-Shiung Wu) आणि तिच्या सहकाऱ्यांना १९५७ साली केलेल्या प्रयोगात आढळून आले. या प्रयोगातून अबल आंतरक्रियेमध्ये (weak interaction) समताच्या अक्षय्यतेचा भंग होतो हे स्पष्ट झाले. कणभौतिकीतील इतर मूलभूत आंतरक्रियांमध्ये मात्र समता सममिती अक्षय आहे. या संशोधनासाठी चियान-शिंग वू यांचे सहकारी त्सुंग डाओ ली (T. D. Lee) आणि चेन निंग यांग (C. N. Yang) यांना १९५७ च्या भौतिकी विषयातील नोबेल पारितोषिकाने सन्मानित करण्यात आले.

समता (parity) : समताची कृती म्हणजे एखाद्या पदार्थाच्या अथवा कणाच्या सहनिर्देशकाच्या (coordinate) मूल्याचे चिन्ह बदलणे. म्हणजे कणाचा सहनिर्देशक $X$ असेल तर तो बदलून $-X$ करणे. काही अंशी समताची कृती करणे हे आरशात पदार्थाची प्रतिमा बघण्यासारखेच आहे. समताच्या कृतीमध्ये पदार्थाच्या अदिश (scalar) गुणधर्मांमध्ये बदल होत नाही. उदा., पदार्थाच्या वस्तुमानात किंवा त्याच्या विद्युतभारात बदल होत नाही. परंतु त्याच्या वेग आणि त्वरण (acceleration) यांसारख्या सदिश गुणधर्मांच्या मूल्यात बदल होऊन त्यांचे चिन्ह बदलते. परंतु पदार्थाच्या कोनीय संवेगासारख्या अक्षीय सदिशांच्या मूल्यात बदल होत नाही.

न्यूटनच्या नियमांचा आणि विद्युतचुंबकीय नियमांचा अभ्यास केल्यावर कळते की, समताच्या कृतीमुळे कणांच्या गतिकीच्या नियमात बदल होत नाही. म्हणजे पदार्थांच्या संहतीमध्ये समताची कृती केल्यावर संहतीची गतिकी बदलत नाही. तसेच अणुकेंद्रके आणि अणूंसारख्या संहित्यांमध्ये सुद्धा समता अक्षय आहे असे आढळते. या निरीक्षणामुळे भौतिकीमध्ये समताची सममिती अक्षय आहे असे मानले जाते. सुरवातीस गुरुत्वीय (gravitational), विद्युतचुंबकीय (electromagnetic) आणि प्रबल (strong) आंतरक्रियांप्रमाणेच अबल आंतरक्रियेत सुद्धा समताची सममिती अक्षय आहे (म्हणजेच समताचे उल्लंघन होत नाही) असे मानले जात होते. परंतु बीटा ऱ्हासाच्या प्रयोगात समताच्या अक्षय्यतेचे प्रमाण मिळाले नव्हते.

पुंज स्थितिगतिशास्त्रानुसार समता अक्षय सममिती असल्यास समताच्या कृतीनंतर पुंज संहतीच्या तरंगफलाचे (wavefunction) मूल्य बदलत नाही किंवा त्याच्या मूल्याचे चिन्ह बदलते. त्यामुळे संहतीच्या अवस्थेला समता पुंजसंख्या देता येते. तरंगफल बदलत नसल्यास ही पुंजसंख्या $+1$ आणि बदलत असल्यास $-1$ असल्याचे मानले जाते. समता अक्षय सममिती असल्यास संहतींच्या अभिक्रियांमध्ये सुरवातीच्या आणि नंतरच्या अवस्थांच्या समता पुंजसंख्या सारख्याच असतात. समताचा भंग होत असल्यास त्या भिन्न असू शकतात.

बीटा ऱ्हास ( $\beta$ decay) : बीटा ऱ्हासात समता सममितीचे उल्लंघन होऊ शकेल असे काही शास्त्रज्ञांनी विसाव्या शतकाच्या मध्यास प्रतिपादले होते. परंतु त्यास पुरेसा प्रायोगिक निर्विवाद पुरावा मिळाला नव्हता. १९५६ साली त्सुंग डाओ ली आणि चेन निंग यांग यांनी बीटा ऱ्हासात समताचे उल्लंघन होते असे प्रतिपादले होते. १९५७ साली रॉबर्ट मार्शॅक (Robert Marshak) आणि जॉर्ज सुदर्शन (George Sudarshan) यांनी आणि तसेच रिचर्ड फाइनमन (Richard Feynman) आणि मरी गेल-मान (Murrey Gell-Mann) यांनी स्वतंत्रपणे बीटा ऱ्हासाचा V-A सिद्धांत (V-A theory) मांडला. या सिद्धांतानुसार बीटा ऱ्हासाची, म्हणजेच अबल आंतरक्रिया सदिश आणि अक्षीय सदिशांचे समसमान मिश्रण आहे आणि या आंतरक्रियेत समताचे सर्वाधिक उल्लंघन होते. कणभौतिकीच्या मानक प्रतिकृतीत V-A सिद्धांत अंतर्भुत केलेला आहे.

बीटा ऱ्हासातील समताचे उल्लंघन स्पष्ट करणारा प्रयोग कोलंबिया विश्वविद्यालयातील चियान-शिंग वू आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी केला. या प्रयोगानंतर बीटा ऱ्हासात समताचे उल्लंघन होते हे सर्वमान्य झाले.

चियान-शिंग वू प्रयोग (Wu-experiment) : वू आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी बीटा ऱ्हासातील समताचे उल्लंघन दाखवण्यासाठी कोबाल्ट-60 ( $Co^{60}$ ) अणुकेंद्रकाचा बीटा ऱ्हास वापरला. कोबाल्ट-60 अणुकेंद्रक अस्थायी असून त्याचे निकेल-60 ( $Ni^{60}$ ) मध्ये बीटा ऱ्हासाद्वारे परिवर्तन होते. कोबाल्ट-60 अणुकेंद्रकाची परिवलनसंख्या (spin) $5$ असून बीटा ऱ्हासानंतर तयार झालेले निकेल-60 अणुकेंद्रक उत्तेजित अवस्थेत असते. त्यामधून दोन फोटॉन उत्सर्जित होऊन त्याचे स्थायी निकेल-60 मध्ये रूपांतर होते. त्यामुळे बीटा ऱ्हासाची अभिक्रिया

$Co^{60}\rightarrow Ni^{60} +e^-+\bar\nu +2\gamma$

या समीकरणामधून व्यक्त करता येते.

कोबाल्टच्या बीटा ऱ्हासाचा वु-प्रयोगात उपयोग करण्यामध्ये खालील गोष्टींचे महत्त्व आहे.

१. कोबाल्ट-60 ची परिवलनसंख्या $5$ असल्याने प्रबळ चुंबकीय क्षेत्रात त्याचे ध्रुवण (polarize) करता येते. म्हणजे अणुकेंद्रकाचे परिवलन चुंबकीय क्षेत्राच्या दिशेत होते.

२. बीटा ऱ्हासानंतर उत्सर्जित होणारे फोटॉन प्रामुख्याने अणुकेंद्रकाच्या परिवलनाच्या दिशेत उत्सर्जित होतात. म्हणून फोटॉनांच्या संसूचनाने अणुकेंद्रकांचे किती प्रमाणात ध्रुवण झाले आहे ते समजते.

३. फोटॉनांच्या संसूचनाबरोबर बीटा ऱ्हासात उत्सर्जित होणाऱ्या इलेक्ट्रॉनांचे संसूचन केल्यास समताचे उल्लंघन होत आहे किंवा नाही हे कळते. जर उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनाची दिशा फोटॉनांच्या उत्सर्जनाच्या दिशेवर (म्हणजेच अणुकेंद्रकाच्या परिवलनाच्या दिशेवर) अवलंबून नसेल तर समताचे उल्लंघन होत नसल्याचे समजते. त्याऐवजी जर इलेक्ट्रॉनांच्या उत्सर्जनाची दिशा फोटॉनांच्या उत्सर्जनाच्या दिशेवर अवलंबून असेल तर समताचे उल्लंघन होत असल्याचे समजते.

वु-प्रयोगात कोबाल्ट-60 ची अणुकेंद्रके द्रवीय हीलियमच्या तापमानात आणि प्रबळ चुंबकीय क्षेत्रात ठेवली होती. चुंबकीय क्षेत्रामुळे अणुकेंद्रकांचे परिवलन बऱ्याच अंशी चुंबकीय क्षेत्राच्या दिशेत करण्यात आले होते आणि शीत तापमानामुळे त्यांच्या परिवलनाच्या दिशेत औष्णिक ऊर्जेमुळे बदल होणार नाही याची काळजी घेण्यात आली होती. कोबाल्टच्या परिवलनाची दिशा फोटॉनांच्या संसूचनामधून निश्चित करता येत होती. प्रयोगाच्या निरीक्षणातून सुमारे 60 % अणुकेंद्रकांचे ध्रुवण झाल्याचे निश्चित करण्यात आले होते. प्रयोगातील इलेक्ट्रॉनांच्या संसूचनातून ते प्रामुख्याने फोटॉनांच्या विरुद्ध दिशेत (म्हणजेच अणुकेंद्रकाच्या परिवलनाच्या विरुद्ध दिशेत) उत्सर्जित होत असल्याचा निष्कर्ष काढण्यात आला. त्यामुळे कोबाल्ट-60 च्या ऱ्हासात समताचे उल्लंघन होते हे सिद्ध झाले. अधिक प्रयोगांनंतर बीटा ऱ्हासात समताचे सर्वाधिक उल्लंघन होत असल्याचे कळले.

$K^+$ मेसॉनचा ( $K^+$ Meson) ऱ्हास : १९५० च्या दशकात दोन धन विद्युतभार असलेल्या स्ट्रेंज (strange; $s$ ) पुंजसंख्या असलेल्या कणांचा शोध लागला. या दोन्ही कणांचा ऱ्हास अबल आंतरक्रियेद्वारे होत असल्याचे त्यांच्या अर्धायुःकालाच्या मूल्यामधून कळले. यांपैकी एका प्रकारच्या कणांचा ऱ्हास दोन $\pi$ मेसॉनांमध्ये होतो तर दुसऱ्या प्रकारच्या कणांचा ऱ्हास तीन $\pi$ मेसॉनांमध्ये होतो असे आढळून आले. दोन आणि तीन $\pi$ मेसॉनांची समता पुंजसंख्या अनुक्रमे $+1$ आणि $-1$ आहे. त्यामुळे समता अक्षय असल्यास या दोन मेसॉनांची समता भिन्न आहे असे समजते. या दोन मेसॉनांचे अनुक्रमे $\tau$ आणि $\theta$ असे नामकरण करण्यात आले. परंतु अधिक संशोधनानंतर असे आढळले की, या दोहोंचे इतर गुणधर्म (त्यांचे वस्तुमान, परिवलनसंख्या इ.) सारखेच आहेत. त्यामुळे सारखेच गुणधर्म असलेले हे दोन मेसॉन आहेत की काय अशी शंका निर्माण झाली.

समताच्या ऱ्हासाचा शोध लागल्यानंतर या कोड्याचा उलगडा झाला. अबल आंतरक्रियांमध्ये समताचा ऱ्हास होत असल्याने $\tau$ आणि $\theta$ हे दोन कण नसून एकच कण आहेत आणि या कणाचा ऱ्हास अबल आंतरक्रियेद्वारा होत असल्याने त्याच्या ऱ्हासामध्ये दोन अथवा तीन $\pi$ मेसॉन उत्सर्जित होऊ शकतात हे स्पष्ट झाले. मेसॉनांच्या नवीन वर्गीकरणानुसार या मेसॉनाला $K^+$ असे नाव देण्यात आले [मेसाॅन].

पहा : बीटा ऱ्हास., CPT सिद्धांत.

कळीचे शब्द : #समता #अबल #आंतरक्रिया #मूलभूत #V-Aसिद्धांत

संदर्भ :