Matter vs. Antimatter

مادہ بمقابلہ اینٹی میٹر

مادہ بمقابلہ اینٹی میٹر: وہ عدم توازن جس نے مادے کو غلبہ دیا

جدید طبیعیات اور کائناتیات کے سب سے گہرے رازوں میں سے ایک یہ ہے کہ ہمارا کائنات تقریباً مکمل طور پر مادے پر مشتمل ہے، جبکہ اینٹی میٹر بہت کم موجود ہے۔ ہماری موجودہ سمجھ کے مطابق، مادہ اور اینٹی میٹر کو بگ بینگ کے ابتدائی لمحات میں تقریباً برابر مقدار میں پیدا ہونا چاہیے تھا، جس کا مطلب ہے کہ انہیں مکمل طور پر ایک دوسرے کو ختم کر دینا چاہیے تھا—لیکن ایسا نہیں ہوا۔ مادے کی معمولی زیادتی (تقریباً ایک ارب میں ایک حصہ) بچ گئی، جس نے کہکشائیں، ستارے، سیارے، اور آخرکار زندگی کو جنم دیا جیسا کہ ہم جانتے ہیں۔ مادہ اور اینٹی میٹر کے درمیان یہ ظاہری عدم توازن اکثر کائنات کی baryon asymmetry کے طور پر بیان کیا جاتا ہے اور یہ گہرائی سے CP violation اور baryogenesis کے عمل سے جڑا ہوا ہے۔

اس مضمون میں، ہم دریافت کریں گے:

  1. اینٹی میٹر کی دریافت پر ایک مختصر تاریخی نظر۔
  2. مادہ-اینٹی میٹر عدم توازن کی نوعیت۔
  3. CP (چارج-پیریٹی) ہم آہنگی اور اس کی خلاف ورزی۔
  4. بیریوجینیسیس کے لیے سکھاروف شرائط۔
  5. مادہ-اینٹی میٹر عدم توازن پیدا کرنے کے مجوزہ میکانزم (مثلاً، الیکٹروویک بیریوجینیسیس، لیپٹو جینیسیس)۔
  6. جاری تجربات اور مستقبل کی سمتیں۔

آخر تک، آپ کو یہ جائزہ حاصل ہوگا کہ ہم کیوں یقین رکھتے ہیں کہ مادہ اینٹی میٹر سے زیادہ ہے اور اس کائناتی عدم توازن کے پیچھے درست میکانزم کی نشاندہی کے لیے سائنسی کوششیں کیا ہیں۔

1. تاریخی سیاق و سباق: اینٹی میٹر کی دریافت

اینٹی مادہ کا تصور سب سے پہلے انگریز طبیعیات دان Paul Dirac نے 1928 میں نظریاتی طور پر پیش کیا۔ ڈائریک نے ایک مساوات (Dirac Equation) تیار کی جو الیکٹرانز کو نسبیتی رفتاروں پر حرکت کرتے ہوئے بیان کرتی تھی۔ اس مساوات نے غیر متوقع طور پر ایسے حل دیے جو مثبت توانائی اور منفی توانائی کی حالتوں والے ذرات کے مطابق تھے۔ "منفی توانائی" کے حل بعد میں ایسے ذرات کے طور پر سمجھے گئے جن کا ماس الیکٹران کے برابر تھا لیکن برقی چارج اس کے مخالف تھا۔

  1. Discovery of the Positron (1932): 1932 میں، امریکی طبیعیات دان Carl Anderson نے تجرباتی طور پر اینٹی مادہ کے وجود کی تصدیق کی جب انہوں نے cosmic-ray ٹریکس میں positron (الیکٹران کا اینٹی ذره) کو دریافت کیا۔
  2. Antiproton and Antineutron: اینٹی پروٹون کو 1955 میں Emilio Segrè اور Owen Chamberlain نے دریافت کیا، اور اینٹی نیوٹران کو 1956 میں۔

ان دریافتوں نے اس خیال کو مضبوط کیا کہ اسٹینڈرڈ ماڈل میں ہر قسم کے ذرے کے لیے ایک اینٹی ذره موجود ہے جس کے کوانٹم نمبر (مثلاً، برقی چارج، باریون نمبر) مخالف ہوتے ہیں لیکن ماس اور اسپن ایک جیسے ہوتے ہیں۔

2. مادہ-اینٹی مادہ عدم توازن کی نوعیت

2.1 ابتدائی کائنات میں مساوی تخلیق

بگ بینگ کے دوران، کائنات انتہائی گرم اور گھنی تھی، توانائیاں اتنی زیادہ تھیں کہ مادہ اور اینٹی مادہ ذرات کے جوڑے پیدا کر سکیں۔ ہم توقع کرتے ہیں کہ اوسطاً، ہر پیدا ہونے والے مادے کے ذرے کے لیے ایک مساوی اینٹی ذرے کی بھی تخلیق ہوگی۔ جیسے جیسے کائنات پھیلی اور ٹھنڈی ہوئی، یہ ذرات اور اینٹی ذرات تقریباً مکمل طور پر تباہ ہو جانے چاہیے تھے، اور ان کا ماس توانائی (عام طور پر گاما رے فوٹونز) میں تبدیل ہو جانا چاہیے تھا۔

2.2 باقی ماندہ مادہ

تاہم مشاہدات سے ظاہر ہوتا ہے کہ کائنات زیادہ تر مادہ پر مشتمل ہے۔ خالص عدم توازن چھوٹا ہے—لیکن بالکل اہم ہے۔ اسے کائنات میں باریون نمبر کثافت (یعنی مادے کی کثافت) اور فوٹون کثافت کے تناسب کو دیکھ کر ماپا جا سکتا ہے، جسے اکثر η = (nB - n̄B) / nγ سے ظاہر کیا جاتا ہے۔ Cosmic Microwave Background (CMB) کے ڈیٹا—جو COBE، WMAP، اور Planck جیسے مشنوں نے ماپا ہے—یہ ظاہر کرتے ہیں:

η ≈ 6 × 10−10.

اس کا مطلب ہے کہ بگ بینگ سے بچ جانے والے ہر ارب فوٹون کے لیے، تقریباً ایک پروٹون (یا نیوٹران) ہوتا ہے—لیکن سب سے اہم بات یہ ہے کہ وہ واحد باریون اپنے اینٹی باریون کے مقابلے میں زیادہ تھا۔ سوال یہ ہے: یہ چھوٹی لیکن اہم عدم توازن کیسے پیدا ہوا؟

3. CP تقارن اور اس کی خلاف ورزی

3.1 طبیعیات میں تقارن

ذراتی طبیعیات میں، C (چارج conjugation) تقارن سے مراد ذرات اور ان کے اینٹی ذرات کے درمیان تبدیلی ہے۔ P (parity) تقارن سے مراد مکانی الٹ پھیر (مکانی نقاط کی عکس بندی) ہے۔ اگر کوئی طبیعی قانون بیک وقت C اور P کے تحت غیر متغیر ہو (یعنی، "اگر یہ اسی طرح نظر آتا ہے جب ذرات کو اینٹی ذرات سے بدل دیا جائے اور بائیں اور دائیں کو آپس میں تبدیل کیا جائے"), تو ہم کہتے ہیں کہ یہ CP symmetry کی پابندی کرتا ہے۔

3.2 CP وائلیشن کی ابتدائی دریافت

ابتدائی طور پر یہ مانا جاتا تھا کہ CP سمٹری فطرت کی بنیادی سمٹری ہو سکتی ہے، خاص طور پر جب P violation اکیلے 1950 کی دہائی کے وسط میں دریافت ہوئی۔ تاہم، 1964 میں، James Cronin and Val Fitch نے دریافت کیا کہ نیوٹرل کاؤنز (K0) کے زوال CP سمٹری کی پاسداری نہیں کرتے (Cronin & Fitch, 1964 [1])۔ یہ انقلابی نتیجہ دکھاتا ہے کہ بعض کمزور تعاملات میں CP بھی توڑا جا سکتا ہے۔

3.3 اسٹینڈرڈ ماڈل میں CP وائلیشن

پارٹیکل فزکس کے اسٹینڈرڈ ماڈل میں، CP وائلیشن Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) میٹرکس کے مراحل سے پیدا ہو سکتی ہے، جو مختلف "flavors" کے کوارکس کے کمزور قوت کے تحت تبدیلی کو بیان کرتی ہے۔ بعد میں، نیوٹرینو فزکس نے ایک اور مکسنگ میٹرکس متعارف کروائی—Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata (PMNS) میٹرکس—لیپٹونز کے لیے، جو CP وائلیشن والے مراحل بھی رکھ سکتی ہے۔ تاہم، اب تک ان شعبوں میں مشاہدہ شدہ CP وائلیشن کی مقدار بہت کم لگتی ہے کہ وہ کائنات کے بیریون عدم توازن کی مکمل وضاحت کر سکے، جو اسٹینڈرڈ ماڈل سے باہر اضافی CP وائلیشن کے ذرائع کی ضرورت کی نشاندہی کرتی ہے۔

4. بیریوجینیسیس کے لیے Sakharov کی شرائط

1967 میں، روسی فزکس دان Andrei Sakharov نے ابتدائی کائنات میں مادہ-ضد مادہ عدم توازن پیدا کرنے کے لیے تین ضروری شرائط وضع کیں (Sakharov, 1967 [2]):

  1. Baryon Number Violation: ایسے تعاملات یا عمل ہونے چاہئیں جو خالص بیریون نمبر B کو تبدیل کریں۔ اگر بیریون نمبر سختی سے محفوظ رہے، تو بیریونز اور ضد بیریونز کے درمیان عدم توازن پیدا نہیں ہو سکتا۔
  2. C and CP Violation: وہ تبدیلیاں جو مادہ اور ضد مادہ میں فرق کرتی ہیں ضروری ہیں۔ اگر C اور CP مکمل سمٹریز ہوں، تو کوئی بھی عمل جو بیریونز کو ضد بیریونز سے زیادہ بنائے، اس کا آئینہ دار عمل بھی اتنے ہی ضد بیریونز بنائے گا، جو ایک دوسرے کو ختم کر دیں گے۔
  3. Departure from Thermal Equilibrium: حرارتی توازن میں، ذرات کی تخلیق اور تباہی کے عمل برابر آگے اور پیچھے چلتے ہیں، توازن برقرار رکھتے ہیں۔ ایک غیر توازنی ماحول—جیسے تیزی سے پھیلتا اور ٹھنڈا ہوتا کائنات—کچھ عملوں کو عدم توازن "freeze out" کرنے کی اجازت دیتا ہے۔

کسی بھی قابل عمل نظریہ یا میکانزم آف بیریوجینیسیس کو یہ تین شرائط پوری کرنی ہوں گی تاکہ مشاہدہ شدہ مادہ-ضد مادہ عدم توازن پیدا ہو سکے۔

5. مادہ-ضد مادہ عدم توازن پیدا کرنے کے لیے تجویز کردہ میکانزم

5.1 Electroweak Baryogenesis

Electroweak baryogenesis یہ فرض کرتا ہے کہ بیریون عدم توازن الیکٹروویک فیز ٹرانزیشن کے دوران پیدا ہوا تھا (تقریباً 10−11 سیکنڈ بعد بگ بینگ کے). اہم نکات:

  • The Higgs field ایک غیر صفر ویکیوم توقعاتی قدر حاصل کرتا ہے، جو خودبخود الیکٹروویک سمٹری کو توڑ دیتا ہے۔
  • غیر perturbative عمل جنہیں sphalerons کہا جاتا ہے، باریون جمع لپٹون نمبر (B+L) کی خلاف ورزی کر سکتے ہیں جبکہ باریون منفی لپٹون نمبر (B−L) کو محفوظ رکھتے ہیں۔
  • ایک پہلی نوعیت کا الیکٹروویک فیز ٹرانزیشن (جہاں سچے ویکیوم کے ببل بنتے ہیں) حرارتی توازن سے ضروری انحراف پیدا کر سکتا ہے۔
  • Higgs سیکٹر میں یا quark mixing کے ذریعے CP-خلاف ورزی تعاملات مادہ-ضد مادہ عدم توازن کو ببل والز پر قائم کرنے میں مدد دیں گے۔

تاہم، Standard Model کے پیرامیٹر اسپیس میں (خاص طور پر دریافت شدہ 125 GeV Higgs کے ساتھ)، امکان نہیں کہ الیکٹروویک فیز ٹرانزیشن پہلی نوعیت کی تھی، اور CKM میٹرکس سے حاصل CP خلاف ورزی ناکافی ہے۔ نتیجتاً، کئی نظریہ دان beyond the Standard Model طبیعیات — جیسے اضافی scalar fields — کی تجویز دیتے ہیں تاکہ الیکٹروویک باریوجینیسیس کو زیادہ قابل عمل بنایا جا سکے۔

5.2 GUT Baryogenesis

Grand Unified Theories (GUTs) کا مقصد انتہائی بلند توانائیوں (~1016 GeV) پر مضبوط، کمزور، اور برقی مقناطیسی قوتوں کو متحد کرنا ہے۔ کئی GUT ماڈلز میں، بھاری gauge bosons یا Higgs bosons پروٹون کے زوال یا ایسے عملوں کی وساطت کر سکتے ہیں جو باریون نمبر کی خلاف ورزی کرتے ہیں۔ اگر یہ عمل ابتدائی کائنات میں حرارتی توازن سے باہر ہوں، تو اصولی طور پر یہ باریون عدم توازن پیدا کر سکتے ہیں۔ تاہم، ان GUT فریم ورکس میں CP خلاف ورزی کافی بڑی ہونی چاہیے، اور پروٹون زوال کی متوقع شرحیں مشاہدہ نہیں ہوئیں، جس سے سادہ GUT باریوجینیسیس ماڈلز پر پابندیاں عائد ہوتی ہیں۔

5.3 Leptogenesis

leptogenesis میں، لپٹونز اور اینٹی لپٹونز کے درمیان عدم توازن پہلے پیدا ہوتا ہے۔ یہ لپٹون عدم توازن پھر الیکٹروویک دور میں sphaleron processes کے ذریعے جزوی طور پر باریون عدم توازن میں تبدیل ہو جاتا ہے، جو لپٹونز کو باریونز میں تبدیل کر سکتے ہیں۔ ایک مقبول طریقہ یہ ہے:

  1. Seesaw Mechanism: بھاری رائٹ-ہینڈڈ نیوٹریونز (یا دیگر بھاری لپٹونز) متعارف کروائیں۔
  2. یہ بھاری نیوٹریون CP-خلاف ورزی عمل کے ذریعے زوال پذیر ہو سکتے ہیں، جس سے لپٹون سیکٹر میں عدم توازن پیدا ہوتا ہے۔
  3. Sphaleron تبدیلیاں اس لپٹون عدم توازن کے ایک حصے کو باریون عدم توازن میں تبدیل کر دیتی ہیں۔

Leptogenesis پرکشش ہے کیونکہ یہ نیوٹرینو ماسز کی تخلیق (جو نیوٹرینو آسلےشنز میں دیکھی گئی ہے) کو کائناتی مادہ-ضد مادہ عدم توازن سے جوڑتی ہے۔ یہ الیکٹروویک باریوجینیسیس کو درپیش کچھ پابندیوں سے بھی بچتی ہے، جس کی وجہ سے یہ نئی طبیعیات کے کئی ماڈلز میں ایک اہم امیدوار ہے۔

6. جاری تجربات اور مستقبل کی سمتیں

6.1 ہائی انرجی کولائیڈرز

کولائیڈرز جیسے Large Hadron Collider (LHC) میں تجربات — خاص طور پر LHCb تجربہ — B میسنز، D میسنز، اور دیگر ہیڈرونز کے زوال میں CP-خلاف ورزی اثرات کے لیے حساس ہوتے ہیں۔ CP خلاف ورزی کی مقدار کو ناپ کر اور اسے Standard Model کی پیش گوئیوں سے موازنہ کر کے، طبیعیات دان امید کرتے ہیں کہ وہ ایسی تضادات تلاش کریں جو Standard Model سے آگے نئی طبیعیات کی نشاندہی کر سکیں۔

  • LHCb: نایاب زوال اور b-کوارک سیکٹر میں CP خلاف ورزی کی درست پیمائشوں میں مہارت رکھتا ہے۔
  • Belle II (KEK، جاپان میں) اور اب مکمل شدہ BaBar (SLAC میں) نے بھی B-میسن نظاموں میں CP خلاف ورزی کی تحقیق کی۔

6.2 نیوٹرینو تجربات

اگلی نسل کے نیوٹرینو ارتعاشی تجربات جیسے کہ DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) امریکہ میں اور Hyper-Kamiokande جاپان میں نیوٹرینو کے PMNS میٹرکس میں CP-خلاف ورزی کے مرحلے کو اعلیٰ درستگی سے ناپنے کا ہدف رکھتے ہیں۔ اگر نیوٹرینو بڑے CP-خلاف ورزی اثرات دکھائیں، تو یہ مادہ-اینٹی میٹر عدم توازن کے حل کے طور پر leptogenesis کے کیس کو مضبوط کر سکتا ہے۔

6.3 پروٹون زوال کی تلاش

اگر GUT baryogenesis کے منظرنامے درست ہیں، تو پروٹون زوال ایک اشارہ ہو سکتا ہے۔ Super-Kamiokande (اور بالآخر Hyper-Kamiokande) جیسے تجربات مختلف زوال چینلز کے لیے پروٹون کی عمر پر سخت حدود مقرر کرتے ہیں۔ پروٹون زوال کی کوئی دریافت ایک سنگ میل ہوگی، جو اعلی توانائیوں پر بیریون نمبر کی خلاف ورزی کے بارے میں مضبوط اشارے دے گی۔

6.4 Axion کی تلاش

اگرچہ روایتی معنوں میں baryogenesis سے براہ راست منسلک نہیں، axions (مضبوط CP مسئلے سے متعلق مفروضہ ذرات) ابتدائی کائنات کی حرارتی تاریخ اور مادہ-اینٹی میٹر عدم توازن کے امکانات میں بھی کردار ادا کر سکتے ہیں۔ اس لیے axion کی تلاشیں معمہ کا ایک اہم حصہ رہتی ہیں۔

نتیجہ

مادہ کی کائناتی برتری اینٹی میٹر پر فزکس کے اہم کھلے سوالات میں سے ایک ہے۔ اسٹینڈرڈ ماڈل کچھ CP خلاف ورزی کے لیے فریم ورک فراہم کرتا ہے، لیکن مشاہدہ شدہ عدم توازن کی وضاحت کے لیے کافی نہیں۔ یہ فرق new physics کی ضرورت کی نشاندہی کرتا ہے—یا تو اعلی توانائیوں پر (مثلاً GUT-اسکیل) یا اضافی ذرات اور تعاملات کے ذریعے جو ہم نے ابھی دریافت نہیں کیے۔

اگرچہ electroweak baryogenesis، GUT baryogenesis، اور leptogenesis سب ممکنہ میکانزم ہیں، بہت زیادہ تجرباتی اور نظریاتی کام کی ضرورت ہے۔ کولائیڈر فزکس، نیوٹرینو ارتعاشات، اور نایاب زوال کی تلاش میں جاری اعلیٰ درستگی کے تجربات—ساتھ ہی فلکیاتی مشاہدات—ان نظریات کی جانچ جاری رکھتے ہیں۔ یہ جواب کہ مادہ نے اینٹی میٹر پر کیوں غلبہ حاصل کیا، نہ صرف کائنات کی ابتدا کی ہماری سمجھ کو گہرا کرے گا بلکہ حقیقت کے بنیادی نئے پہلو بھی ظاہر کر سکتا ہے۔

تجویز کردہ ذرائع اور مزید مطالعہ

  1. Cronin, J. W., & Fitch, V. L. (1964). “K20 میسن کے 2π زوال کے ثبوت۔” Physical Review Letters, 13, 138–140. [Link]
  2. Sakharov, A. D. (1967). “کائنات میں CP انوکھائی، C عدم توازن، اور بیریون عدم توازن کی خلاف ورزی۔” JETP Letters, 5, 24–27.
  3. Particle Data Group (PDG). https://pdg.lbl.gov – ذرات کی خصوصیات، CP وائلیشن، اور اسٹینڈرڈ ماڈل سے آگے کی فزکس پر ڈیٹا اور جائزوں کا جامع ذریعہ۔
  4. Riotto, A., & Trodden, M. (1999). “Recent Progress in Baryogenesis.” Annual Review of Nuclear and Particle Science, 49, 35–75. [arXiv:hep-ph/9901362]
  5. Dine, M., & Kusenko, A. (2004). “The Origin of the Matter-Antimatter Asymmetry.” Reviews of Modern Physics, 76, 1–30. [arXiv:hep-ph/0303065]
  6. Kolb, E. W., & Turner, M. S. (1990). The Early Universe. ایڈیسن ویسلی۔ – کاسمولوجیکل عملوں پر ایک کلاسک کتاب، بشمول بیریوجینیسیس۔
  7. Mukhanov, V. (2005). Physical Foundations of Cosmology. کیمبرج یونیورسٹی پریس۔ – انفلیشن، نیوکلیوسنتھیسز، اور بیریوجینیسیس پر تفصیل سے روشنی ڈالتا ہے۔

یہ کام مجموعی طور پر CP وائلیشن، بیریون نمبر وائلیشن، اور کاسمولوجیکل مادہ-اینٹی میٹر عدم توازن کے ممکنہ میکانزم پر گہرا نظریاتی اور تجرباتی پس منظر فراہم کرتے ہیں۔ جیسے جیسے نئے تجرباتی ڈیٹا آتے ہیں، ہم اپنے کائنات کے سب سے بنیادی سوالات میں سے ایک کے جواب کے قریب پہنچ رہے ہیں: کیوں کچھ ہے نہ کہ کچھ نہیں؟

 

← پچھلا مضمون                    اگلا مضمون →

 

 

اوپر واپس جائیں

بلاگ پر واپس