क्वार्कामधील रंगभार : क्वार्कामध्ये सहा स्वाद अथवा प्रकार असतात आणि त्यांपैकी प्रत्येक स्वादामध्ये हिरवा, लाल आणि निळा या रंगभारांचे तीन निरनिराळे क्वार्क असतात. या रंगभाराचे स्वरूप व त्याचे मूल्य यांवरून क्वार्काचे भौतिकीय गुणधर्म निश्चित होत असतात. पुंज रंग-गतिकीमध्ये या रंगांचे वर्णन पारंपरिक अर्थाने घ्यावयाचे नसून त्यांना फक्त एक विवक्षित असा तांत्रिक अर्थच अभिप्रेत आहे. क्वार्कावरील रंगभार (R-G), (G-B), (B-R) अशा तीन प्रकारचे असतात व त्यांना +१/२, ०, -१/२ एवढीच पुंजमूल्ये असू शकतात, हे दाखविता येते.

कोणत्याही क्वार्कामध्ये असणाऱ्या या तीन मूलभूत रंगभारांच्या सापेक्ष मूल्यानुसार क्वार्काचा रंग कसा निश्चित होतो, हे कोष्टक क्र.१० वरून स्पष्ट होईल.

कोष्टक क्र.१० क्वार्कामधील विशिष्ट रंगभार मूल्ये व क्वार्काचा रंग

क्वार्क प्रकार (रंग)                    रंगभार
R-G G-B B-R
लाल +१/२ -१/२
हिरवा -१/२ +१/२
निळा -१/२ +१/२
प्रतिलाल -१/२ +१/२
प्रतिहिरवा +१/२ -१/२
प्रतिनिळा +१/२ -१/२

कोणत्याही प्रकारच्या क्वार्काकरिता संकलित रंगभार शून्य मूल्याचा असतो हे लक्षात घेण्याजोगे आहे.

पुंज रंग-गतिकीप्रमाणे आठ निरनिराळ्या प्रकारच्या ग्लुऑनांचे आभासी उत्सर्जन किंवा शोषण झाल्यामुळे दोन क्वार्कामध्ये शक्तीशाली प्रेरणा निर्माण होत असते. विद्युत् चुंबकीय प्रेरणेमध्ये फोटॉन या द्रव्यमानहीन कणाचा विनियम होत असतो पण फोटॉनावर विद्युत् भार नसल्यामुळे या प्रेरणेचे प्रमाणे कमी असते. याउलट आठांपैकी सहा ग्लुऑनांवर रंगभार असल्याने त्याच्या विनिमयामुळे अत्यंत शक्तीशाली अशी प्रेरणा निर्माण होते. या प्रेरणेमुळे जी विक्रिया होते तीमुळे मूळ क्वार्काच्या रंगात सारखा फरक पडत जाणे शक्य होते. अशा विक्रियांकरिता रंगभार अक्षयता नियम यथार्थ राहत असल्यामुळे उत्सर्जित ग्लुऑनावर कोणत्या प्रकारचे रंगभार कोणत्या प्रमाणात असावेत, हे निश्चित करणे सोपे होते (पहा कोष्टक क्र. ११). ग्लुऑन GR→GवGGRयांची रंगभार मूल्ये कण-प्रतिकणासारखी असतात.

लाल-क्वार्कामधून GRGग्लुऑन उत्सर्जित झाला, तर त्यामुळे त्याचे हिरव्या क्वार्कामध्ये कसे रूपांतरण होते हे कोष्टक क्र. १२ वरून स्पष्ट होते.

कोष्टक क्र.११. ग्लुऑन प्रकार व त्याच्या उत्सर्जनाने होणारे रंगभारातील फरक.

ग्लुऑन प्रकार R-G G-B B-R एकंदर फरक
G1
G2
GRG +१ -१/२ -१/२
GGR -१ +१/२ +१/२
GGB -१/२ +१ -१/२
GBG +१/२ -१ +१/२
GRB +१/२ +१/२ -१
GBR -१/२ -१/२ +१

कोष्टक क्र. १२ ग्लुऑनाच्या उत्सर्जनामुळे लाल क्वार्काचे हिरव्या क्वार्कामध्ये रुपांतरण.

R-G G-B B-R
लाल क्वार्क १/२ -१/२
GRGग्लुऑन↑ +१ -१/२ -१/२
परिणामी क्वार्क (हिरवा) -१/२ +१/२

आ.६ ग्लुऑन उत्सर्जनामुळे क्वार्काच्या रंगात होणारे विविध बदल

वरीलप्रमाणे एकाच क्वार्क प्रकारामध्ये (उदा., लाल) ग्लुऑन उत्सर्जनामुळे तीन निरनिराळ्या प्रकारचे रंगबदल घडवून आणले जातात. याचे स्पष्टीकरण आ. ६ च्या साहाय्याने करता येते. qR या लाल क्वार्कमधून G1, G2या प्रकारच्या ग्लुऑनाचे उत्सर्जन झाले असता क्वार्क रंगात काही बदल होत नाही. GRG ग्लुऑनचे उत्सर्जन झाले, तर लाल क्वार्काचे हिरव्या क्वार्कामध्ये रूपांतरण होते. GRBग्लुऑन उत्सर्जनामुळे परिणामी क्वार्क निळ्या क्वार्कामध्ये रूपांतरित होतो. अशा प्रकारे एका क्वार्काचे तीन या हिशोबाने तीन क्वार्कांकरिता नऊ रंगपालट शक्य असतात. या बदलांविषयींची कल्पना आ. ५ वरून अधिक स्पष्ट होईल.

ग्लुऑनावर ठराविक मूल्याचा रंगभार असतो व त्याच्या उत्सर्जनामुळे जे दोन भिन्न परिणाम घडताना आढळतात ते पुढीलप्रमाणे : (१) क्वार्कावरील रंगभाराचे +१/२, ०, – १/२ असे आपोआप पुंजीकरण होते. ग्लुऑनावरील रंगभाराचे अवलोकन केले असता त्याच्या उत्सर्जनामुळे रंगभारात पडणारा फरक १/२ एवढ्याच मूल्याचा असतो. (२) कोणत्याही क्वार्कावरील धन व ऋण रंगभार एकाच मूल्याचे असल्यामुळे त्यावरील एकंदर रंगभाराची बेरीज शून्य होते.

पुंज रंग-गतिकी मीमांसेचे सारांश रूपाने वर्णन पुढीलप्रमाणे करता येते. क्वार्कावर रंगभार असतो व त्यामुळे दोन क्वार्कांमध्ये प्रबल प्रेरणा निर्माण होते. ही प्रेरणा प्रत्यक्षात आठ निरनिराळ्या प्रकारच्या द्रव्यमानरहित अशा ग्लुकॉन कणांच्या विनिमयामुळे कार्यान्वित होत असते. क्वार्काला तीन मूलभूत रंग असतात व या रंगांची देवाणघेवाण सहा ग्लुऑन कणांच्या देवघेवीने होत असते. या विक्रियेत रंगभार अक्षय्यता नियम यथार्थ राहतो. कोणत्याही क्वार्कांवरील धन व ऋण रंगभार एकमूल्यी असल्यामुळे त्याची परिणामी बेरीज शून्य असते. या सर्व व इतर काही विशिष्ट लक्षणांमुळे पुंज रंग-गतिकी मीमांसेला SU (३) ही गणितीय सममिती आहे असे दाखविता येते.

A0 या विचित्र बॅरीऑनामध्ये u, d व s असे तीन क्वार्क असले पाहिजेत असे कळते. या तीन क्वार्कांचे रंग एकमेकांपासून विभिन्न असले पाहिजेत हे क्रमप्राप्त होते, कारण बॅरीऑन किंवा मेसॉन यांपैकी कोणत्याही कणाला परिणामी रंग नसतो. या दोन अटी (विद्युत् भार व रंगहीनता) पूर्ण करणाऱ्या अनेक पर्यायी रंगसंयोग रचना शक्य असतात. मीमांसेप्रमाणे या सर्वांची सारखीच संभाव्यता असल्यामुळे कणाच्या आतील क्वार्कामध्ये कालानुसार सारखे सतत रंग बदल होत असतात असे दिसते. या संभाव्य पर्यायी रंगरचनांपैकी काही रचना आ. ७ मध्ये दाखविल्या आहेत. ज्या विक्रियांमध्ये ग्लुऑन उत्सर्जनानंतर रंगबदल होत नाही अशा विक्रिया आ. ७ मध्ये दाखविलेल्या नाहीत. धन पायॉनामध्ये u व d क्वार्क असतात व त्याकरिता शक्य पर्यायी रचना आ. ७ (आ) मध्ये दाखविल्या आहेत.

आ. ७ (इ) मध्ये Wकरिता क्वार्काची रंगसंयोग रचना दाखविली आहे. या बॅरीऑनामध्ये असणारे क्वार्क सर्व s प्रकारचे असल्यामुळे ते तीन वेगवेगळ्या रंगाचे असतात. गेल-मान यांच्या अष्टक योजनेनुसार या कणाच्या अस्तित्त्वाबद्दल प्रथम भाकीत केले गेले होते. यानंतर १९६४ मध्ये एन्. पी. सॅमिऑस व आर्. पी. शट यांनी याचा प्रयोगशाळेत शोध लावला.

प्रोटॉनामध्ये होणाऱ्या क्वार्क रंगबदलाची कल्पना आ. ७ (ई) वरून येईल.

मूलकणांवरील मूलभूत प्रेरणा : मूलकण व त्यांवर कार्य करणाऱ्या विशिष्ट प्रेरणा या दोन्ही गोष्टी एकमेकांशी निगडित अशा आहेत. त्यामुळे आतापर्यंतच्या विवेचनात सैद्धांतिक संकल्पनांचा उल्लेख अनेक ठिकाणी येऊन गेला आहे. या निरनिराळ्या प्रेरणांमागील संकल्पनांमधील परस्परसंबंध येथे अधिक स्पष्ट केलेला आहे. या सर्व प्रेरणांकरिता एक एकीकृत मीमांसा देण्याकडे सतत प्रयत्न केला जात आहे.

आतापर्यंतच्या विवेचनावरून हे स्पष्ट झाले आहे की, मूलकणाच्या विक्रिया विशद करण्याकरिता ज्या चार तऱ्हेच्या प्रेरणा गृहीत धराव्या लागातात त्या (१) गुरुत्त्वाकर्षणीय, (२) विद्युत् चुंबकीय, (३) प्रबल अणुकेंद्रीय व (४) दुर्बल अणुकेंद्रीय या आहेत. यांपैकी गुरुत्त्वाकर्षणी प्रेरणेचे मूल्य इतक्या कमी प्रतीचे असते की, तिचा विचार काही काळाकरिता बाजूस ठेवता येतो.


आ. ७. कणांतर्गत क्वार्कामध्ये होणारे कालानुसार बदल (क्वार्कांच्या पर्यायी रंगसंयोग रचना) : (अ) लॅंब्डा बॅरीऑन (A0), (आ) पायॉन (मेसॉन) (μ+), (इ) ओमेगा बॅरीऑन (W-), (ई) प्रोटॉन (न्यूक्लिऑन) (N+). ल-लाल, ह-हिरवा, न-निळा, प-पिवळा (प्रतिनिळा), स-सियान (प्रतिलाल), म-मॅजेन्टा (प्रतिहिरवा).

अणुकेंद्रात प्रोटॉन व न्यूट्रॉन असतात आणि त्यांमध्ये प्रबल अणुकेंद्रीय प्रेरणा मिळते. या दोन्ही कणांत क्वार्क हे कण घटक म्हणून असतात. कोणत्याही दोन क्वार्कांमध्ये रंगभारामुळे ग्लुऑनाद्वारे पुंज रंग-गतिकीय प्रेरणा कार्यान्वित होत असते. दोन क्वार्कांमध्ये ग्लुऑनाच्या देवघेवीमुळे जी परस्परक्रिया होते तिचा पल्ला अमर्याद असतो व तिचे प्रमाण पण खूप मोठे असते (ग्लुऑनाला द्रव्यमान नाही व तो प्रकाशवेगाने प्रवास करतो). पुंज रंग-गतिकीय प्रेरणा आणि प्रोटॉन व न्यूट्रॉन यांसारख्या अणुकेंद्रीय कणांमध्ये मिळणारी अणुकेंद्रीय प्रबल प्रेरणा या दोन निरनिराळ्या अशा गोष्टी आहेत. यांमधील फरक खालील दाखल्यावरून स्पष्ट होईल.

कोणत्याही अणूमध्ये धन विद्युत् भारित अणुकेंद्र व त्याभोवती असणारे ऋण विद्युत् भारित इलेक्ट्रॉन यांमध्ये असलेले बंधन विद्युत् चुंबकीय प्रेरणेमुळे निर्माण होते. हिचे कार्यक्षेत्र अमर्याद स्वरूपाचे असते. दोन अणू जवळ येऊन जेव्हा रेणू निर्माण करतात (उदा., NaCl) तेव्हा त्यांना एकत्र आणणारी प्रेरणा विद्युत् चुंबकीय स्वरूपाचीच असते पण तिचा प्रभाव अणूच्या जवळच्या काही मर्यादित (≈ १०-८ सेंमी.) क्षेत्रातच महत्त्वाचा असतो व तिचे मूल्य पण अणुकेंद्र व इलेक्ट्रॉन यांमधील मूळ प्रेरणेपेक्षा बरेच कमी दर्जाचे असते [ ⟶ पुंज रसायनशास्त्र]. त्यामुळे रेणूचे अणूंमध्ये विघटन करण्याकरिता लागणारी ऊर्जा, अणूमधील अणुकेंद्र व त्याभोवती असणाऱ्या सर्व इलेक्ट्रॉनांना एकमेकांपासून अलग करण्याकरिता लागणाऱ्या सर्व ऊर्जेपेक्षा खूप कमी असते. दोन अणूंस एकत्र आणून त्यांचा एक रेणू बनविणारी रासायनिक प्रेरणा ही वरील उदाहरणात मूळ अणूमध्ये असणाऱ्या अमर्याद पल्ला असणाऱ्या विद्युत् चुंबकीय प्रेरणेचे एक शेष व  आकुंचित असे स्वरूप आहे असे म्हणता येते. याचप्रमाणे अणुकेंद्रातील प्रोटॉन व न्यूट्रॉन यांमध्ये मिळणारी प्रबल प्रेरणा ही त्यांमधील  घटक कणांमध्ये (म्हणजे क्वार्कामध्ये) असणाऱ्या प्रेरणेचे आकुंचित व शेष असे स्वरूप आहे. वरील स्पष्टीकरण विद्युत् चुंबकीय प्रेरणेकरिता उपयोगात आणलेल्या संकल्पनेप्रमाणेच व त्याच गणितीय साच्याचे आहे, ही गोष्ट या संदर्भात लक्षात ठेवण्यासारखी आहे.

विद्युत्‌ चुंबकीय प्रेरणेचे स्वरूप पुंज विद्युत्‌ गतिकी मीमांसेप्रमाणे विशद करण्याचे कार्य आर्. पी. फाइनमन, जे. एस्. श्‍विंगर आणि एस्. आय्. टॉमॉनागा यांनी केले. दोन विद्युत् भारांतील प्रेरणा आभासी क्षेत्र पुंजकणाच्या म्हणजे फोटॉनाच्या विनिमयामुळे (उत्सर्जन व शोषण) कार्यान्वित होते ही एक मीमांसेमधील मध्यवर्ती संकल्पना होय. आभासी फोटॉन निर्माण करण्याकरिता लागणारी उर्जा ही विद्युत् चुंबकीय क्षेत्रापासून किंवा तेथे जर इतर कण उपस्थित असतील तर त्यांपासून तात्पुरती उसनी घेतली जाते.

पुंज रंग-गतिकी मीमांसा सी. आर्. यांग व आर्. एल्. मिल्स यांनी प्रथम मांडली. या मीमांसेमध्ये विद्युत् भाराऐवजी रंगभार वापरला आहे. विद्युत् चुंबकीय मीमांसेमधील फोटॉन हा क्षेत्र पुंजकण द्रव्यमानरहित (शून्यगती), विद्युत् भरारहित व एकच प्रकारचा आहे. विद्युत् भारित कण प्रवेगित  केला की, त्यापासून फोटॉनाचे उत्सर्जन होते. पुंज रंग-गतिकी मीमांसेप्रमाणे क्वार्कासारखा रंगभारवाही कण प्रवेगित केला की, तो ग्लुऑनाचे उत्सर्जन करतो. ग्लुऑनाला (शून्यगती) द्रव्यमान नाही पण त्यावर रंगभार आहे. ग्लुऑन एक प्रकारचा नसून त्यामध्ये आठ प्रकार असतात. ग्लुऑन कणांना रंगभार व विद्युत् भार असल्यामुळे (काही अपवाद सोडले असता) मुक्त ग्लुऑन कणामध्ये त्यामुळे आकर्षणी प्रेरणा निर्माण होऊन त्याचे पण पुंजके बनणे शक्य असते, पण त्याकरिता आजपर्यंत तरी प्रयोगाद्वारे पुष्टी मिळालेली नाही.

दुर्बल अणुकेंद्रीय प्रेरणा ही तिसऱ्या प्रकारची मूलभूत प्रेरणा आहे. पुंज विद्युत् गतिकी किंवा पुंज रंग-गतिकी या मीमांसेच्या धर्तीवर या प्रेरणेकरिता समाधानकारक विशदीकरण एस्. ग्लासहौ, एस्. वाइनबर्ग व अब्दुस सलाम यांनी दिले. याबद्दल त्यांना १९८१ चे नोबेल पारितोषिक देण्यात आले. या प्रक्रियेचा पल्ला अत्यंत कमी म्हणजे १०-१५ सेंमी. (१ फेग्टोसेंमी.) या प्रमाणाचा असल्यामुळे याकरिता आवश्यक असलेल्या संचारक किंवा मध्यस्थ क्षेत्र पुंजकणाचे द्रव्यमान फार मोठे असले पाहिजे हे प्रथम लक्षात येते. कारण परस्परक्रियेचा पल्ला हा क्षेत्र पुंजकणाच्या द्रव्यमानाच्या व्यस्त प्रमाणात असतो असे दाखविता येते. याकरिता यथार्थ सूत्र

पल्ला = h/२πmc असे आहे. यामध्ये h = प्लांक स्थिरांक, m = कणाचे शून्यगति-द्रव्यमान, c = प्रकाशवेग.


(उदा., पुंज विद्युत् गतिकीमधील क्षेत्र पुंजकण फोटॉन व पुंज रंग-गतिकीमधील क्षेत्र पुंजकण ग्लुऑन या दोघांचे शून्यगति-द्रव्यमान शून्य असल्यामुळे त्यांचा पल्ला अमर्याद असतो). या दोन मीमांसांसारखी गणितीय विश्लेषण पद्धती वापरून दुर्बल विक्रियेचे विशदीकरण करण्याकरिता येथील क्षेत्र पुंजकणाला भारी द्रव्यमान का असते या प्रश्नाचे उत्तर शोधावे लागले. परस्परक्रिया करणाऱ्या कणांची उर्जा कमी प्रतीची असेल, तर त्यामधील सममितीचा भंग होऊन मोठ्या द्रव्यमानाचे क्षेत्र पुंजकण निर्माण होणे शक्य आहे, असे या नव्या मीमांसेमध्ये दाखविले आहे. अशा प्रकारे सरासरी उर्जेत घट झाली असता सममिती भंग होतो ही कल्पना पी. हिग्ज यांनी प्रथम मांडली होती. हिग्ज यंत्रणेमध्ये शून्य परिवलनांक असणाऱ्या एका कणाची आवश्यकता असते. हा कण मूलकण असू शकेल किंवा तो ±१/२ परिवलनांक असणाऱ्या दोन संलग्न कणांपासून निर्माण झालेला असेल अथवा अवकाशामध्ये कंपने निर्माण होऊन त्यायोगे उत्पन्न होणाऱ्या घनता तरंगाच्या स्वरूपात पण तो असू शकेल. या कणाच्या स्वरूपाविषयी निश्चित कल्पना अद्याप उपलब्ध नाही.

सममितीच्या भंगामुळे पदार्थामध्ये नवीन तऱ्हेचे गुणधर्म किंवा आविष्कार कसे निर्माण होतात याचा खुलासा पुढील दाखल्यावरून मिळेल. लोखंडाच्या तुकड्याचा शाश्वत स्वरूपाचा चुंबक बनविता येतो. कारण लोखंड हा लोहचुंबकीय पदार्थ आहे. लोखंडाचा तुकडा त्याच्या क्यूरी तापमानापर्यंत (म्हणजे १,०४३ से. प्येअर क्यूरी यांच्या नावाने ओळखण्यात येणाऱ्या तापमानापर्यंत) तापविला, तर त्याचे लोहचुंबकीय गुणधर्म लुप्त होतात. म्हणजे क्यूरी तापमानापेक्षा जास्त तापमानाचा लोखंडाचा तुकडा घेतला, तर त्याचे शाश्वत चुंबकात परिवर्तन करता येत नाही. त्यावर बाह्य चुंबकीय क्षेत्र कार्य करीत नसेल, तर त्यास कोणत्याही अवकाश दिशेत चुंबकीय परिबल नसते. याचा अर्थ असा होतो की, पदार्थाच्या गुणधर्माला अवकाश सममिती असते. लोखंडाचा तुकडा आता जर सारखा थंड करीत नेला, तर क्यूरी तापमानाला त्याच्या सममितीमध्ये भंग होऊन त्याला एका ठराविक दिशेत चुंबकीय परिबल प्राप्त झाले असे कळते. त्यावर कोणतेही बाह्य चुंबकीय क्षेत्र कार्य करीत नसेल, तरी हा परिणाम आढळतो. वस्तूचे तापमान त्यामधील कण घटकांच्या सरासरी उर्जेचे निर्देशन करीत असते आणि त्यामुळे आपणास असे म्हणता येते की, पदार्थकणाची उर्जा कमी झाली की, सममितीच्या भंगामुळे त्यामध्ये उल्लेखनीय बदल होऊ शकतात. कण उर्जेचे प्रमाण कमी झाल्यामुळे व W± व Z या दोन क्षेत्र पुंजकणांच्या द्रव्यमानात सममितीच्या भंगाने प्रचंड वाढ होते.

दुर्बल विक्रियेत दोन प्रकारच्या विक्रिया कार्यान्वित होताना आढळतात. पहिल्या प्रकारात कणावरील विद्युत् भारात बदल होतो, तर दुसऱ्या प्रकारामध्ये कणावरील विद्युत् भारात फरक पडत नाही. पहिल्या प्रकारच्या तीन विक्रिया खालील सूत्राने निर्देशित करता येतील.

दुसऱ्या प्रकारच्या विक्रिया खालील सूत्रांनी दाखविल्या आहेत.

इलेक्ट्रॉन – न्यूक्लिऑन प्रकीर्णन e + N → e + N

न्यूक्लिऑन – न्यूक्लिऑन प्रकीर्णन N + N → N + N

ज्या विक्रीयेमध्ये कणाच्या विद्युत् भारात फरक पडतो ते कार्य W± मध्यस्थ दिशिक बोसॉनाद्वारे केले जाते (W± या कणाचे द्रव्यमान ७०,००० MeV असावे असे वाइनवर्ग व सलाम यांनी गणन करून दाखविले).

आ. ८. विद्युत् चुंबकीय व दुर्बल परस्परक्रिया यांकरिता फाइनमन आराखडे (अ) इलेक्ट्रॉन-प्रोटॉनामध्ये विद्युत् चुंबकीय प्रेरणा (आ) म्यूऑन क्षय : विद्युत् भार बदलासहित दुर्बल विक्रिया (इ) प्रोटॉनाद्वारे न्यूट्रिनोचे प्रकीर्णन : विद्युत् भार बदलरहित दुर्बल विक्रिया.

ज्या विक्रियांमध्ये सहभागी होणाऱ्या कणांच्या विद्युत् भारात फरक पडत नाही त्या विक्रिया Zकिंवा y (फोटॉन) या क्षेत्र पुंजकणाद्वारे घडून येतात असे भाकीत करण्यात आले (Z चे द्रव्यमान ≈ १०,००० MeV). स्टॅनफर्ड येथे १९७८ साली प्रोटॉन-इलेक्ट्रॉन प्रकीर्णनाचा अभ्यास केला तेव्हा लहान मूल्याच्या उर्जेकरिता ही विक्रिया फोटॉनाद्वारे कार्यान्वित होते, तर या दोन कणांची सापेक्ष उर्जा वाढविली असता ही विक्रिया Z कणाद्वारे कार्यान्वित होऊ लागते, असे आढळून आले. वरील प्रयोगावरून ही परस्परक्रिया व विद्युत् चुंबकीय विक्रिया एकमेकींशी निगडित आहेत असे कळून येते.

आ. ८ मध्ये विद्युत् चुंबकीय व दोन प्रकारच्या दुर्बल विक्रिया यांचे निर्देशन फाइनमन आराखड्याद्वारे दाखविले आहे. सर्व आकृतींमध्ये कालप्रवाह वर चालला आहे, असे गृहीत धरले आहे.


आ. ९ Z० बोसॉनाचा इलेक्ट्रॉन-पॉझिट्रॉन युग्मात क्षय

W±व Z बोसॉनाचा शोध : सर्न या संघटनेच्या जिनीव्हा येथील प्रयोगशाळेमध्ये प्रत्येकी सु. ५,४०,००० MeV उर्जेच्या प्रोटॉन व प्रतिप्रोटॉन यांच्या दोन विरुद्ध दिशेत प्रवास करणाऱ्या कण शलाका एकमेकींवर आदळू दिल्या, तर त्यांपैकी काही विक्रीयांत (एकंदर अब्ज विक्रीयांपैकी अनुक्रमे फक्त अंदाजी पाच किंवा एक आघातामध्ये) W±व Zबोसॉनांच्या अस्तित्त्वाविषयी पुरावा मिळतो, असा शोध १९८३ मध्ये लावण्यात आला. या कणांची द्रव्यमाने (अनुक्रमे ८१–८५ पट व ९४–९५ पट प्रोटॉन द्रव्यमान सापेक्ष) सैद्धांतिक दृष्ट्या गणन केलेल्या मूल्याच्या जवळपास अशी आढळल्यामुळे नव्या मीमांसेची दिशा योग्य आहे, असे मत सर्वमान्य झाले.

वरील प्रयोगामध्ये निर्माण झालेले W±व Zया कणांचा क्षय अनेक तऱ्हेने होऊ शकतो. त्यांपैकी एका प्रकारामध्ये त्यापासून e+ व e- हे इलेक्ट्रॉन-युग्म तयार होते. या विक्रीयेच्या द्वारा या कणाचा शोध घेणे सोईस्कर ठरते. मूळ W± किंवा Z या कणाच्या संपूर्ण उर्जेचे (द्रव्यमान व गतिज) वाटप e- व e+ किंवा ve यांमध्ये झाले असता मूळ कणाच्या मार्गरेषेच्या अनुप्रस्थ (आडव्या) दिशेच्या एका बाजूस e- या कणाची मार्गरेषा  तर त्याच्या बरोबर उलट्या दिशेस e+ या कणाची मार्गरेषा दृष्टोत्पत्तीस येते. e व e+ या दोन कणांच्या मार्गरेषेच्या लांबीवरून त्याजवळील उर्जेविषयी अंदाज करून मूळ कणाच्या द्रव्यमानाविषयी अनुमान करता येते. आ. ९ वरून Z कणाचा इलेक्ट्रॉन-पॉझिट्रॉन युग्मात क्षय झाला म्हणजे कसे चित्र दिसते याची कल्पना येईल. या सर्व प्रयोगांवरून W±,Zव ¡ (फोटॉन) या सर्व क्षेत्र पुंजकणांची जात एकाच प्रकारची आहे असे म्हणता येते.

आज तुलनात्मक दृष्ट्या पाहिले, तर दुर्बल अणुकेंद्रीय प्रेरणेपेक्षा विद्युत् चुंबकीय प्रेरणा ही जास्त (जवळजवळ हजार पटींनी) प्रभावी आहे. अशी परिस्थिती फार पूर्वकाळी नव्हती, असे अनुमान केले आहे. विश्वाची उत्पत्ती प्रचंड विस्फोटामुळे (बिग बॅंग) झाली [ ⟶ विश्वोत्पत्तिशास्त्र] असे मानले, तर त्याच्या उत्पत्ती क्षणी या सर्व कणांची उर्जा अतिशय उच्च प्रतीची होती. या क्षणी W±,Zकिंवा γ यांची निर्मिती सारख्याच सुलभतेने होत होती. त्या वेळी या तिन्ही कणांना द्रव्यमान नव्हते. विद्युत् चुंबकीय व दुर्बल परस्परक्रियांमध्ये काहीही फरक नव्हता. कालगतीमुळे विश्व थंड होऊन त्यामधील कणांची उर्जामूल्ये कमी झाली [विश्वाचा सतत विस्तार होत गेला, तर त्यामुळे या प्रकारचे शीतन होते. विश्वातील सर्व जड वस्तू पृथ्वीवरून पाहिल्या असता त्या वेगाने दूर जात चालल्या आहेत याबद्दलचा पुरावा उपलब्ध आहे, [ ⟶ विश्वोत्पत्तिशास्त्र], तर यामुळे सममितीचा भंग होऊन W±वZ यांचे द्रव्यमान भारी होऊ शकेल. काही कारणामुळे फोटॉन द्रव्यमानविरहितच राहिला. या गोष्टीमुळे या दोन प्रेरणांमध्ये सध्या अनुभवास येणारी भिन्नता निर्माण झाली असे विशदीकरण दिले गेले आहे. विश्वकिरणांत सापडणाऱ्या अतिउच्च उर्जेच्या कणांवरून असे अनुमान करण्यात आले आहे की, या वेळी कणउर्जा १०२० eV या प्रतीची असावी. या उर्जेचे कणवेगवर्धक यंत्राद्वारे मनुष्याला निर्माण करता आले, तर वरील मीमांसेची सत्यता, प्रत्यक्ष रीत्या तपासून पाहता येईल. कणवेगवर्धक यंत्राद्वारे आज मनुष्य अंदाजे १०१४ –१०१५ eV या जास्तीत जास्त उर्जेचे कण प्रयोगशाळेत मिळवू शकतो व त्यामुळे वरील अनुमानाकरिता निश्चित उत्तर मिळण्याकरिता अजून काही अवधी जाणे आवश्यक आहे असे दिसते.

गुरुत्त्वाकर्षणाकरिता अशीच क्षेत्र पुंजकणावर आधारित अशी गणितीय मीमांसा देता आली, तर विश्वातील या चार मूलभूत प्रेरणांचे एकत्रीकरण करण्यात यश मिळवता येईल असे वाटते.

या नव्या मीमांसेचा उपयोग करून आणखी एक महत्त्वाचे असे भाकीत करण्यात आले आहे. मुक्त न्युट्रॉनाला शाश्वत स्वरूप नाही हे माहीत आहे. प्रोटॉनाला सुद्धा शाश्वत स्वरूप नसून त्याचे पायॉन व न्यूट्रिनोमध्ये (सरासरी आयुःकाल ≈ १०३१ सेकंद) विघटन व्हावे असे भाकीत जे. सी. पाटी, अब्दुस सलाम, एस्. ग्लासहौ व एच्. गीऑर्गी यांनी केले आहे. हा परिणाम शोधून काढण्याकरिता जगातील विविध प्रयोगशाळांत प्रयोग चालू आहे. भारतामध्ये टाटा इन्स्टिट्यूट फॉर फंडामेन्टल रिसर्च या संस्थेतर्फे पण याच विषयावर कोलार येथील सोन्याच्या खाणीत प्रयोग चालू आहेत. तथापि या बाबतीत निश्चित असा पुरावा अजून उपलब्ध झालेला नाही. हे भाकीत जर खरे ठरले, तर संपूर्ण भौतिकीय विश्व निश्चितपणे संपूर्ण नाशाकडे वाटचाल करीत आहे असे म्हणावे लागेल.

या सर्व सैद्धांतिक विकासाचे परिशीलन केले असता असे दिसून येते की, काही जुन्या प्रश्नांकरिता समाधानकारक उत्तरे मिळाली आहेत. फोटॉनाला द्रव्यमान का नाही, विद्युत् भाराचे पुंजीकरण का होते अशा गोष्टींकरिता विशदीकरण मिळते. याउलट जे नवे प्रश्न उपस्थित झाले आहेत त्यामुळे या विषयातील संशोधनाला नवीन दिशा सापडल्या आहेत. न्यूट्रिनोला द्रव्यमान नाही असे आजपर्यंत मानले जात होते. त्याऐवजी त्याला काही द्रव्यमान असू शकेल, इतकेच काय पण न्यूट्रिनोचे νe, νu, νt, असे तीन प्रकार मानले जात असत. त्यांचे एकमेकांत दालन किंवा उच्चावसन क्रियेद्वारे रूपांतरण पण होऊ शकेल अशी कल्पना पुढे आली आहे. न्यूट्रिनोला जर खरोखरीच द्रव्यमान असेल, तर विश्वाच्या अंतिम विनाश विक्रीयेमध्ये त्याला एक महत्त्वाचे असे स्थान असेल. एकच चुंबकीय ध्रुव असणाऱ्या चुंबकाला अस्तित्व असण्याचा संभव सूचित केला गेला आहे. [ ⟶ चुंबकत्व].


गोषवारा : ग्लासहौ-सलाम-वाइनबर्ग मीमांसा व पुंज-गतिकी या दोन सिद्धांतांचा उपयोग करून मूलकण व तत्संबंधित परस्परक्रियांचे मोठ्या प्रमाणात समाधानकारक असे विशदीकरण देता येते.

येथे हे नमूद केले पाहिजे की, वरील सिद्धांतांमधील अनेक गृहितांकरिता प्रयोगशाळेत पुरावा उपलब्ध नाही. या सिद्धांतांमध्ये अनुत्तरित असे पण काही प्रश्न आहेत.

वरील सिद्धांतांप्रमाणे विश्वातील सर्व जड द्रव्य तीन प्रकारच्या लेप्टॉन जोड्या व तीन प्रकारच्या क्वार्क जोड्या (व या सर्वांचे प्रतिकण) यांपासूनच निर्माण झाले आहे. या मीमांसेचा विश्वस्थितिशास्त्राशी जवळचा संबंध आहे.

प्रयोगशाळेत आढळणारे न्यूक्लिऑन (प्रोटॉन व न्यूट्रॉन) व मेसॉन हे क्वार्क या घटकांपासून बनलेले असतात. या कणांमध्ये ज्या परस्परक्रिया आढळतात त्या त्यांमधील घटक क्वार्कांमध्ये होणाऱ्या परस्पर क्रियांमुळे होत असतात.

क्वार्क या कणांना द्रव्यमान, विद्युत् भार व रंगभार असे तीन गुणधर्म असतात. दोन विद्युत् भारित कणांमध्ये आढळणारी प्रेरणा ही त्यांमध्ये फोटॉनाचा विनियिम होत असल्यामुळे होते. विद्युत् चुंबकीय परस्परक्रियेचा संचारक फोटॉन असतो.

न्यूक्लिऑनांमधील घटक क्वार्काच्या रंगभारामुळे दोन प्रकारच्या परस्परक्रिया कार्यान्वित होतात. यांचे संचारक अनुक्रमे (१) ग्लुऑन व (२) सदिश बोसॉन W±, Z हे असतात.

ग्लुऑन विनिमयाद्वारा अणुकेंद्रातील घटक (प्रोटॉन किंवा न्यूट्रॉन) हे एकत्र बांधले जातात. या परस्परक्रियेला प्रबल परस्परक्रिया म्हणतात.

दुर्बल विक्रीयेच्या द्वारा कणाचा क्षय होतो. क्षयक्रियेमध्ये जर विद्युत् भार विनियम होत असेल (उदा., अणूचा वीटा क्षय), तर ही विक्रिया W± द्वारा कार्यान्वीत होत असते. क्षयक्रियेमध्ये जर विद्युत् भार विनिमय होत नसेल (उदा., इलेक्ट्रॉन प्रकीर्णन), तर ही विक्रिया Z द्वारा कार्यान्वित होत असते.

प्रबल किंवा दुर्बल या परस्परक्रियांची सापेक्ष संभाव्यता कणाच्या सरासरी ऊर्जेवर अवलंबून असते. जसे विश्व थंड होऊन त्यामधील कणांच्या सरासरी उर्जेचे मूल्य कमी होते, तशी दुर्बल परस्परक्रियेची संभाव्यता कमी होत जाते.

कणवेगवर्धक तंत्रातील आधुनिक घडामोडी : मूलकणांच्या अभ्यासासाठी त्यांचे वेगवर्धन करण्याकरिता विविध तंत्रे अलीकडच्या काळात विकसित झालेली आहेत. ‘कणवेगवर्धक’ या नोंदीत सु.१९६५ सालापर्यंतच्या या विषयीच्या विकासाचा आढावा दिलेला असून येथे मुख्यत्वे त्यानंतरच्या विकासाचे व मूलकणांच्या अभ्यासातील त्याच्या महत्त्वाचे विवरण दिले आहे.

निरनिराळ्या प्रकारचे मूलकण, त्यांमध्ये आढळणाऱ्या परस्परक्रिया, त्यांचे प्रकार व स्वरूप यांविषयी आतापर्यंत विवेचन करण्यात आले. परस्परक्रियांकरिता सुचविण्यात आलेल्या मीमांसा सरतेशेवटी प्रयोगशाळेत मिळालेल्या प्रत्यक्ष माहितीवरच आधारित असतात व तिच्यापासून मिळणाऱ्या निकषांवरच त्या तपासल्या जातात. प्रयोगशाळेतील वेगवर्धक यंत्राच्या साहाय्याने प्राप्त झालेल्या अतिउच्च ऊर्जाधारी कणांचा इतर आणवीय कणांवर भडिमार केला असता त्यांपासून विविध प्रकारच्या कणांचे उत्पादन होते. उत्पादित कणांच्या अभ्यासापासून ही माहिती उपलब्ध होते. वेगवान कण प्रयोगशाळेत निर्माण करण्याकरिता विविध तंत्रे व प्रयुक्ती यांचा उपयोग करण्यात येतो. कणवेगवर्धक यंत्रे व मूलकण भौतिकी यांमधील निकट संबंध लक्षात घेऊन या यंत्रतंत्रामध्ये आधुनिक काळात झालेल्या विशेष घडामोडींचे समालोचन येथे केले आहे.

नैसर्गिक किरणोत्सर्गी मूलद्रव्यापासून आल्फा कणासारखे वेगवान कण मिळतात. या कणांची सर्वोच्च उर्जा ८ MeV पेक्षा जास्त मूल्याची नसते. अशा कण शलाकेची तीव्रता कमी प्रमाणाची असल्यामुळे तिच्या आघाताने घडून येणाऱ्या कोणत्याही एका विशिष्ट विक्रीयेची वारंवारता पुरेशी मोठी असत नाही. त्यामुळे तिचे अभिज्ञान करण्यामध्ये अडचण येते. दोन कणांचा एकमेकांबरोबर आघात झाल्यामुळे बहुतकरून एकापेक्षा अधिक पर्यायी विक्रिया घडून येऊ शकतात. इष्ट विक्रियांची संख्या एकंदर विक्रिया संख्येपेक्षा बरीच कमी असल्यामुळे त्यांचे योग्य प्रकारे निरीक्षण करणे शक्य होत नाही. उदा., सर्नने उभारलेल्या सुपर प्रोटॉन सिंक्रोट्रॉन (SPS) यंत्राद्वारे शक्तीशाली प्रोटॉन व प्रतिप्रोटॉन यांमध्ये परस्पर आघात घडवून आणण्यात आले. त्यांमधील कित्येक दशलक्ष आघातजन्य विक्रियांचे विश्लेषण केले असता त्यांपैकी फक्त विक्रियांमध्ये ट्रुथ या त्या वेळेपावेतो अज्ञात असलेल्या क्वार्काच्या अस्तित्त्वाबद्दल पुरावा मिळू शकला.


एक विशिष्ट विक्रिया घडून येण्याची वारंवारता दीप्ती या राशीमुळे निश्चित होत असते.

दिप्ती = इष्ट विक्रियांची प्रती सेकंद संख्या
इष्ट विक्रियेकरिता काटच्छेद

काटच्छेद म्हणजे आघात करणाऱ्या कणाला लक्ष्य म्हणून उपलब्ध असलेले परिणामी क्षेत्रफळ होय. विक्रियेकरिता असणारे काटच्छेदाचे मूल्य हे विक्रियेचे स्वरूप, आघात करणाऱ्या कणाचा वेग, त्याचे द्रव्यमान, त्यावरील विद्युत् भार अशा अनेक गोष्टींवर अवलंबून असते. जर्मनीमधील डेसी (DESY) या यंत्रातील इलेक्ट्रॉन-पॉझिट्रॉन शलाका एकमेकींवर सतत एक दिवसभर आघात करीत राहिल्या, तर त्या योगे घडणाऱ्या कित्येक लक्ष विक्रियांपैकी फक्त पन्नास हजार विक्रियांमध्ये Z हा मूलकण निर्माण होण्याची शक्यता असते, असे गणितीय रीत्या गणन करण्यात आले आहे. वरील उदाहरणावरून एखाद्या इष्ट विक्रियेचा अभ्यास करण्यासाठी दीप्ती या राशीचे महत्त्व लक्षात येते.

कणवेगवर्धक यंत्रे : विद्युत् भारित कणांचे वेगवर्धन करून त्यांची गतिज ऊर्जा वाढविण्याकरिता सुरुवातीच्या काळात उच्च मूल्याचा एकदिश विद्युत् दाब निर्माण करण्यावर लक्ष केंद्रित करण्यात आले होते (उदा., कॉकक्रॉफ्ट व वॉल्टन यांचा वेगवर्धक). सर्वांत उत्तम उपलब्ध निरोधक एका ठराविक मर्यादेपलीकडील विद्युत् दाब धारण करू शकत नाही. या गुणधर्मामुळे या पद्धतीमधील अंतिम मर्यादा मूल्य निश्चित होते (≈ १MeV).

सायक्लोट्रॉन : सायक्लोट्रॉनामध्ये चुंबकीय क्षेत्राद्वारे कणाचा गतिमार्ग वर्तुळाकार केला जातो. कणाचा वेग जर जास्त मूल्याचा नसेल, तर चुंबकीय क्षेत्रामध्ये त्याचा परिभ्रमण काल हा त्याच्या वेगावर अवलंबून नसतो, या निष्कर्षाचा या यंत्राच्या कार्यपद्धतीमध्ये उपयोग केला जातो. त्यामुळे दोन अग्रांमधील फट एका ठराविक कालांतराने हे कण परत परत योग्य वेळी ओलांडून त्यांचे वेगवर्धन होईल, अशी व्यवस्था करता येते. याकरिता वेगवर्धक फटीवर उच्च प्रतीचा रेडिओ कंप्रता (रे. कं.) विद्युत् दाब लावून विद्युत् दाबाचा आवर्तनकाल (एका कंपनास लागणारा काळ) कणाच्या परिभ्रमण कालाइतका (एका फेरीस लागणाऱ्या कालाइतका) केला जातो. यामुळे या कणांचे प्रत्येक फेरीमध्ये वेगवर्धन होऊन त्यांची उर्जा सारखी वाढत जाते. कणाच्या उर्जा वाढीबरोबर त्याच्या परिभ्रमणकक्षेची त्रिज्या पण वाढत जातो. कणाची उर्जा वाढून त्याचा वेग प्रकाशवेगाच्या जवळपास झाला, तर सापेक्षता सिद्धांताप्रमाणे त्याच्या द्रव्यमानात फरक पडतो. परिणामी कणाचा कक्षेतील परिभ्रमणकाल हा रे. कं. विद्युत् दाबाच्या आवर्तनकालापेक्षा कमी मूल्याचा होत जातो. त्यामुळे शेवटी कणाची वेगवर्धनक्रिया संपुष्टात येते. सायक्लोट्रॉनाद्वारे प्राप्त होणाऱ्या महत्तम उर्जेवर या परिणामामुळे मर्यादा येते (≈ १०-२० MeV). या परिणामाचे परिमार्जन सिंक्रोसायक्लोट्रॉन व आयसोक्रोनस सायक्लोट्रॉन या यंत्रांमध्ये निरनिराळ्या प्रकारे करण्यात येते.

आ. १० सिंक्रोसायक्लोट्रॉनामध्ये वेगवर्धक फटीवरील विद्युत् दाब कंप्रतेमध्ये कालानुसार होणारा बदल : (१) कणांचा यंत्रात प्रवेश, (२) कण शलाकेत जातात, (३) दुसऱ्या कण गटाचा प्रवेश अआ या कालखंडात कणांचे वेगवर्धन होते.

सिंक्रोसायक्लोट्रॉन : हे यंत्र आवर्तनात कार्य करते. कणाचा वेग वाढून त्याचे द्रव्यमान जसे वाढत जाते तशी त्याच्या परिभ्रमण कालात वाढ होते. या यंत्रामध्ये वेगवर्धक फटीवरील रे. कं. विद्युत् दाबाच्या कंप्रतेमध्ये तदनुरूप कालानुसार बदल करून या परिणामाचे परिमार्जन केले जाते. आ.१० वरून या पद्धतीचे स्पष्टीकरण होईल. रे. कं. विद्युत् दाबाच्या कंप्रतेमध्ये बदल न करता चुंबकीय क्षेत्राच्या मूल्यामध्ये कालानुसार वाढ केली असता असाच परिणाम पण घडवून आणता येतो. अशा प्रकारे कार्यान्वित केलेल्या यंत्राद्वारे काही अब्ज इलेक्ट्रॉन-व्होल्ट उर्जेचे कण निर्माण करता येतात.

आयसोक्रोनस सायक्लोट्रॉन : कणाची ऊर्जा जशी वाढत जाते तशी त्याच्या परिभ्रमण कक्षेची त्रिज्या वाढत जाते. आयसोक्रोनस सायक्लोट्रॉन यंत्रामध्ये कणावरील मार्गदर्शक चुंबकीय क्षेत्राचे मूल्य अरीय (त्रिज्यीय) दिशेत स्थिर नसून परिधीकडे वाढत जाते. ही वाढ अशा प्रकारे होते की, त्यामुळे कणाच्या वाढत्या द्रव्यमानामुळे निर्माण होणाऱ्या परिणामाचे परिमार्जन होते.

रेखीय वेगवर्धक : या यंत्रामध्ये एकाच सरळ रेषेत एकामागून एक निरनिराळ्या लांबीच्या नलिका एकमेकींपासून काही अल्प अंतरावर प्रस्थापित केलेल्या असतात. वेगवर्धन करावयाचे विद्युत् भारित कण

नलिकेच्या आतमधून मार्गक्रमण करतात. त्यांचे वेगवर्धन करण्याकरिता लागणारा रे. कं. विद्युत् दाब आनुक्रमिक नलिकांमधील फटीवर लावला जातो. नलिकेमधून तिच्या लांबीप्रमाणे मार्गक्रमण करण्याकरिता लागणारा कालखंड लक्षात घेऊन विद्युत् दाबाची कंप्रता निश्चित केली जाते. कणाचे वेगवर्धन होऊन त्याची ऊर्जा वाढली,तरी त्याच्या वेगात होणारा बदल कमी प्रतीचा असतो (सापेक्षीय विभागाकरिता). त्यामुळे कणाची गती व विद्युत् दाबाची कंप्रता यांचे समकालीकरण करणे शक्य होते. अशा यंत्राद्वारे काही शेकडो MeV उर्जेच्या कणांचे उत्पादन करणे सहज शक्य होते. अशा यंत्राद्वारे कणांना प्राथमिक वेग देऊन त्यांचे सिंक्रोसायक्रोट्रॉनामध्ये पुढील वेगवर्धनासाठी अंतःक्षेपण (आत फेकण्याची क्रिया) केले जाते.


अमेरिकेमधील स्टॅनफर्ड लिनिअर ॲक्सीलरेटर सेंटर (SLAC) येथील वेगवर्धक या प्रकारच्या यंत्राकरिता प्रातिनिधिक मानता येईल. यामधील वेगवर्धक नलिकांची एकंदर लांबी ३·२ किमी. एवढी आहे. त्यामध्ये रे. कं. फटींची संख्या ८२,५०० आहे. या यंत्राच्या साहाय्याने इलेक्ट्रॉनांचे २२ GeV या उर्जेपर्यंत वेगवर्धन करता येते. हे यंत्र उभारण्याकरिता ११५ कोटी डॉलर एवढा खर्च आला होता.

आ. ११. दुर्बल संकेंद्रीकरण योजनेतील चुंबकीय ध्रुवाचा बदललेला आकार : (१) कणाचा वर्तुळाकार गतिमार्ग, (२) कणांच्या गतिदिशेची पुनःस्थापना करणारी प्रेरणा, (३) मध्य प्रतल, (४) चुंबकीय क्षेत्ररेषा उ-चुंबकाचा उत्तर ध्रुव, द-दक्षिण ध्रुव.

कण शलाकेची दीप्ती व संकेंद्रीकरण : वेगवर्धित कण शलाकेची दीप्ती उच्च प्रतीची असावी लागते. दीप्तिमूल्य कमी करणाऱ्या प्रक्रिया मुख्यत्त्वेकरून तीन प्रकारच्या असतात : (१) वेगवर्धक यंत्रात प्रवेश करणाऱ्या सर्व कणांच्या गतिदिशा एका प्रतलात नसतात. त्यांपैकी काही कण या प्रतलाशी कोन करून प्रवेश करतात. यामुळे शलाका जशी मार्गक्रमण करीत जाते तसे या कणाच्या गतिदिशेतील प्रतलाबाहेर नेणाऱ्या वेग घटकामुळे तिचे हळूहळू विकेंद्रीकरण होत जाते. या परिणामामुळे शलाकेच्या काटच्छेदामध्ये सारखी वाढ होत जाते. (२) वेगवर्धक यंत्रामध्ये १०-९ ते १०-१० टॉर या मूल्याचा निर्वात असला, तरी त्यामध्ये अल्प प्रमाणात शेष वायू कण राहतातच. शलाका कण आणि वायू कण यांचे आघाताद्वारे प्रकीर्णन होऊन त्यामुळे शलाकेतील कणांच्या संख्येत घट होते. (३) शलाका जर इलेक्ट्रॉनांची असेल, तर चुंबकीय क्षेत्रामध्ये हे इलेक्ट्रॉन जेव्हा वर्तुळाकार गतिमार्गावर मार्गक्रमण करतात तेव्हा त्यांद्वारे सिंक्रोट्रॉन प्रारणाचे (प्रकाशवेगाशी तुल्य इतक्या वेगाने जाणाऱ्या विद्युत् भारित कणांचे चुंबकीय क्षेत्रात वेगवर्धन केल्याने निर्माण होणाऱ्या विद्युत् चुंबकीय प्रारणाचे) उत्सर्जन होते. या प्रक्रियेमुळे पण त्यांच्या उर्जेत सतत घट होत जाते.

कणाकरिता संकेद्रीकरणाच्या विशेष योजना वापरून पहिल्या दोन परिणामांचे बऱ्याच अंशी परिमार्जन करता येते. चुंबकीय क्षेत्राचा वापर करून संकेंद्रीकरण केले जाते, यामध्ये दुर्बल व प्रबल संकेंद्रीकरण असे दोन मुख्य प्रकार असतात.

दुर्बल संक्रेद्रीकरण : या योजनेमध्ये कणाचे मार्गदर्शन करण्याकरिता लोहचुंबकाच्या साहाय्याने जे क्षेत्र निर्माण केले जाते, त्याच्या ध्रुवाच्या आकारामध्ये योग्य फेरबदल करून त्याद्वारे एक साहाय्यक चुंबकीय क्षेत्र मिळविले जाते. जे कण प्रतलाबाहेर जात असतात, त्या कणांच्या गतिदिशा प्रतलाकडे या क्षेत्रामुळे परत वळविल्या जातात. आ.११ वरून चुंबकीय ध्रुवाच्या आकारामध्ये केल्या जाणाऱ्या बदलाविषयीची कल्पना येईल.

आ. १२. फेर्मी प्रयोगशाळेतील संकलित वेगवर्धक यंत्र योजना : (१) क्रॉकक्रॉप्ट-वॉल्टन टप्पा, (२) लिनॅक, (३) वर्धक सिंक्रोट्रॉन, (४) मुख्य सिंक्रोट्रॉन, (५) प्रोटॉन शलाका, (६) न्यूट्रिनो शलाका, (७) मेसॉन शलाका.

प्रबल संकेंद्रीकरण : वेगवर्धक यंत्राचे आकारमान व त्यामध्ये वापरलेल्या चुंबकीय क्षेत्राची व्याप्ती (म्हणजेच पर्यायाने त्याकरिता करावा लागणारा खर्च) कमी करण्यासाठी वेगवर्धित कणाकरिता प्रबल संकेंद्रीकरण योजना वापरणे आवश्यक होते. यासाठी मार्गदर्शन व संकेंद्रीकरण करण्याकरिता निरनिराळे चुंबक वापरले जातात. मार्गदर्शनाकरिता एकविध चुंबकीय क्षेत्र लागते, तर संकेंद्रीकरणाकरिता चतुर्ध्रुव चुंबकीय क्षेत्राचा उपयोग केला जातो. हे दुसरे क्षेत्र अंतराप्रमाणे तीव्र बदल दाखविते. अंतराप्रमाणे वाढ व घट असे प्रत्यावर्ती स्वरूपाचे बदल दाखविणारे चुंबकीय क्षेत्र प्रबल संकेंद्रीकरणासाठी वापरण्यात येते.

वेगवर्धनाकरिता वेगवर्धक यंत्रांचा संकलित उपयोग : कणाचे वेगवर्धन एकाच मोठ्या यंत्राच्याद्वारे न करता ते अनेक घटक यंत्रांच्या साहाय्याने एकापेक्षा अधिक टप्प्यांत करणे सोईचे व अधिक कार्यक्षम असे ठरते. हे कार्य प्रत्यक्षात कसे केले जाते याची कल्पना खालील दोन उदाहरणांवरून येईल.

सर्नच्या प्रयोगशाळेमधील सुपर प्रोटॉन सिंक्रोट्रॉन (SPS) योजनेमध्ये कणांचे पुढील टप्प्यांमध्ये वेगवर्धन केले जाते (१९७६) : (१) कॉकक्रॉफ्ट-वॉल्टन पद्धतीचा वेगवर्धक (५५० KeV), (२) लिनॅक (रेखीव वेगवर्धक ५० MeV), (३) वर्धक सिंक्रोट्रॉन (८ GeV), (४) प्रोटॉन सिंक्रोट्रॉन व सुपर प्रोटॉन सिंक्रोट्रॉन (SPS) (४०० GeV).

अमेरिकेमधील फेर्मी प्रयोगशाळेमधील प्रोटॉन सिंक्रोट्रॉन पुढील टप्प्यांत कार्यान्वित करण्यात येतो (१९७५) : (१) कॉकक्रॉफ्ट-वॉल्टन टप्पा (७५० KeV), (२) लिनॅक (२०० MeV), (३) वर्धक सिंक्रोट्रॉन (८ GeV), (४) मुख्य सिंक्रोट्रॉन (४००–५०० GeV). आ. १२ मध्ये ही योजना दाखविली आहे.


आघातक शलाका तंत्र : एका वेगवान कणाने दुसऱ्या एका स्थिर अशा कणावर आघात केला, तर पहिल्या कणाजवळ असलेली संपूर्ण ऊर्जा अणुकेंद्रीय विक्रिया घडवून आणण्याकरिता उपलब्ध असत नाही कारण यापैकी एक मोठा भाग दुसऱ्या कणाची गतिज ऊर्जा वाढविण्यामध्ये खर्च होत असतो. योग्य यंत्र योजनेद्वारे कण आणि प्रतिकण यांचे वेगवर्धन करून ते एकमेकांवर सरळ आघात करतील अशी व्यवस्था केली, तर विक्रिया घडून येण्याकरिता जवळजवळ दुप्पट उर्जा उपलब्ध करता येते. कण व प्रतिकण एकत्र येऊन एकमेकांचा नाश करतात तेव्हा त्यांच्या द्रव्यमानातील उर्जा पण मुक्त होत असते. तिचा पण उपयोग विक्रिया घडवून आणण्याकरिता होतो.

कण व त्याचा प्रतिकण यांचे मार्गदर्शन व वेगवर्धन करण्याकरिता एकाच गतिनलिकेचा आणि चुंबकीय व विद्युत् क्षेत्रांचा उपयोग करता येतो कारण हे कण एकमेकांच्या विरुद्ध दिशेत मार्गक्रमण करीत असतात. अलीकडील उच्च ऊर्जा कणांवरील प्रयोगांमध्ये या कल्पनेचा संपूर्ण उपयोग करण्यात आलेला आढळतो.

पर्यायी वेगवर्धक तंत्राचा शोध : वेगवर्धक यंत्रामध्ये विद्युत् क्षेत्रामुळे विद्युत् भारित कणाचे वेगवर्धन होते, तर त्यांचे मार्गदर्शन त्यांवर लावलेल्या चुंबकीय क्षेत्राद्वारे केले जाते.

लेसर प्रयुक्तीमध्ये मिळणाऱ्या उच्च प्रतीच्या विद्युत् क्षेत्राचा उपयोग कणाचे वेगवर्धन करण्याकरिता करता येईल असे वाटते. लेसरमध्ये प्रकाशाची तीव्रता अति-उच्च प्रतीची असते व त्यामुळे तदनुरूप विद्युत् क्षेत्र मूल्ये पण अति-उच्च प्रतीची असणार ही गोष्ट स्पष्ट आहे. लेसर शलाका ⇨ विवर्तन जालकातून पाठविली, तर त्यामुळे प्रकाश तीव्रतेत व म्हणून विद्युत् क्षेत्र मूल्यात मोठ्या प्रतीची प्रवणता (अंतरानुसार होणारा बदल) निर्माण होते. अशा प्रकारे १० GeV/ मी. या प्रतीची प्रवणता मूल्ये मिळविता येतील, असा अंदाज करण्यात आला आहे. या विद्युत् क्षेत्राचा उपयोग कणांचे वेगवर्धन करण्याकरिता करता येईल. लेसर शलाकेमुळे विवर्तन जालकाचे तापमान वाढून त्याचे त्वरित बाष्पीभवन होण्याची शक्यता कशी टाळावयाची ही या पद्धतीमधील मुख्य अशी एक तांत्रिक अडचण आहे.

आयनद्रायू विस्पंद तरंग पद्धत : [जवळजवळ सारखीच संख्या असलेले मुक्त धन आयन (विद्युत्‌ भारित अणुरेणू वा अणुगट) व इलेक्ट्रॉन यांनी बनलेल्या आणि पूर्णपणे आयनीभवन झालेल्या वायूला आयनद्रायू म्हणतात विस्पंद तरंग या संज्ञेच्या स्पष्टीकरणासाठी ‘तरंग गति’ ही नोंद पहावी.] ही पद्धत १९७९ मध्ये टी. ताजीमा व जे. डॉसन यांनी प्रथम सुचविली. जवळपास पण भिन्न तरंगलांबी मूल्याच्या दोन लेसर शलाका आयनद्रायूवर टाकल्या, तर त्यामुळे आयनद्रायूमधील इलेक्ट्रॉन एका ठिकाणी पुंजक्याच्या स्वरूपात एकत्रित केले जातात. लेसर शलाकेची विस्पंद कंप्रता जर आयनद्रायू आंदोलन कंप्रतामूल्याएवढीच असेल, तर इलेक्ट्रॉनांचे एकत्रीकरण विशेष तीव्रतेने होते. या प्रक्रियेमुळे आयनद्रायूचे समांतर व विरुद्ध विद्युत् भार असणाऱ्या अशा दोन स्तरांमध्ये विभाजन होते. या विभाजनामुळे सु.१० GeV/ मी. या प्रमाणाची स्थानिक चल विद्युत् क्षेत्रे निर्माण होतात. लेसर शलाकेच्या दिशेत विभाजन रेषा प्रकाशवेगाने मार्गक्रमण करते असे आढळते. सी. जॉन यांनी केलेल्या प्राथमिक प्रयोगावरून विद्युत् भारित कणांना या क्षेत्रापासून उर्जा मिळविण्यात यश येते असे आढळले.

यांशिवाय इलेक्ट्रॉन लेसर, चेरेनकॉव्ह परिणाम [ ⟶ कण अभिज्ञातक] यांचा पण उपयोग कणवेगवर्धनाकरिता करता येईल, असे सुचविण्यात आले आहे.

दीप्ती वाढविण्याकरिता साठवण वलय योजना : मूलकणांसंबंधीच्या प्रयोगांपासून स्वीकारार्ह निष्कर्ष काढण्याकरिता इष्ट प्रकारच्या विक्रिया ज्यांमध्ये घडतात अशा अनेक घटनांचे निरीक्षण करून सांख्यिकीय दृष्ट्या सार्थ असा प्रतिदर्श (प्रातिनिधिक नमुना) उपलब्ध करून घेणे प्रथम आवश्यक ठरते. इष्ट घटनांची संख्या वाढविण्याकरिता वेगवान कणांची संख्या वाढविणे हा एकच सुलभ असा मार्ग असतो. या कार्याकरिता साठवण वलयाचा उपयोग केला जातो. वेगवर्धकामधून वेगवान कणांचे एकामागून एक असे अनेक लहान पुंजके मिळतात. साठवण वलयाच्या साहाय्याने असे अनेक लहान पुंजके एकत्र करून त्यांपासून एक मोठा कण-पुंजका बनविला जातो.

साठवण वलय पद्धतीमध्ये दोन प्रकार असतात. एका प्रकारामध्ये एकाच जातीच्या कणांची (उदा., प्रोटॉन) दोन संलग्न वलयांमध्ये साठवण केली जाते. हे दोन कणसमूह एकाच उर्जेचे असतात पण मार्गदर्शनाकरिता प्रस्थापित केलेल्या चुंबकीय क्षेत्राच्या प्रभावामुळे ते दोन वलयांत एकमेकांच्या विरुद्ध दिशेने परिभ्रमण करीत राहतात. ही वलये एकमेकांस काही ठिकाणी छेदत असल्यामुळे या भागात या दोन कणांचा एकमेकांबरोबर सरळ आघात होणे शक्य असते. त्यामुळे या छेदभागाचा ‘परस्परक्रिया विभाग’ या नावाने उल्लेख केला जातो.


दुसऱ्या प्रकारच्या वलयात प्रोटॉन-प्रतिप्रोटॉन, इलेक्ट्रॉन-पॉझिट्रॉन अशा दोन विरुद्ध प्रकारच्या विद्युत् भारवाही कणांचा वापर केला जात असल्यामुळे दोन्ही प्रकारचे कण एकाच नलिकेत उलट्या दिशेने परिभ्रमण करीत राहतात. त्यांचे मार्गदर्शन व संकेंद्रीकरण करण्याकरिता एकच चुंबकीय क्षेत्र वापरले जाते व त्यांचे वेगवर्धन एकाच रे. कं. विद्युत् दाब फटीद्वारे केले जाते. या नलिका प्रकारातील दोन जातींच्या कण शलाका एकमेकींच्या उलट्या दिशेत मार्गक्रमण करीत असल्यामुळे या योजनेकरिता निराळा असा परस्परक्रिया विभाग नसतो.

प्रोटॉन साठवण वलय : प्रोटॉन-सिंक्रोट्रॉन वेगवर्धकामधून मिळणारे प्रोटॉन शलाका स्पंद (काही सेंमी. लांबीचे) साठवण वलयाच्या नलिकेमध्ये काही ठराविक कालखंडापर्यंत एकामागून एक अशा क्रमाने आत सोडले जातात. त्यांचे नंतर एकत्रीकरण, संकेंद्रीकरण, साठवण व वेगवर्धक (आवश्यक असल्यास) नलिकेमधील विशिष्ट भागात केले जाते. साठवण वलयाचे आकारमान साठवण करावयाच्या कणाच्या ऊर्जेवर अवलंबून राहते. ३१ GeV ऊर्जेच्या प्रोटॉनांची साठवण करण्याकरिता सर्नच्या प्रयोगशाळेतील ISR (इंटरसेक्टींग स्टोरेज रिंग) वलयाचा परिघ सु.१ किमी. आहे. साठवण वलय हे नेहेमीच वर्तुळाच्या आकाराचे नसते. त्याद्वारे कणाकरिता एक बंदिस्त गतिमार्ग उपलब्ध करून दिला जातो हे मात्र खरे असते. या विशिष्ट मार्गाने कण सतत जात राहतील याकरिता योग्य जागी तदनुरूप चुंबकांची स्थापना करावी लागते (या कार्याकरिता वापरण्यात येणारे चुंबकीय क्षेत्र काही टेस्ला मूल्याचे असते १ टेस्ला = १०,००० ओर्स्टेड). खुद्द नलिकेची त्रिज्या काही मीटर असून तीमध्ये १०-१० टॉर या प्रमाणाचा उच्च निर्वात राखण्याकरिता व्यवस्था केलेली असते. यामुळे नलिकेमधील वेगवान कणांचे शेष वायुकणांबरोबर आघात होऊन त्यायोगे शलाकेतील कणांचे विचलन होऊन त्या बाहेर जाण्याची शक्यता नगण्य होते. याशिवाय चुंबकीय क्षेत्राद्वारे वेगवान कणांचे संकेंद्रीकरण करण्याकरिता योग्य योजना उपकरणामध्ये ठिकठिकाणी बसवलेल्या असतात. या सर्व गोष्टींमुळे वेगवान कणांची वलयामध्ये कित्येक तासांपर्यंत सुलभपणे साठवण करता येते. शलाकेतील कण संख्येत विशेष घट या कालखंडात होत नाही.

प्रोटॉनाचे स्पंद क्रमशः वलयामध्ये दीर्घकाळपर्यंत सोडून त्यावर योग्य संस्करण करून त्यांची संख्या १०१२ ते १०१३ यापर्यंत वाढविता येते. साठवलेल्या प्रोटॉनांच्या गतीमुळे निर्माण होणाऱ्या समतुल्य विद्युत् प्रवाहाचे मूल्य ५० अँपिअरपर्यंत वाढविता येते. शलाकेचा काटच्छेद काही मिमी. या प्रतीचा असतो.

साठवण वलयात जास्तीत जास्त एकत्रित करण्यात येऊ शकणाऱ्या कणसंख्येची अंतिम मर्यादा पुढील प्रक्रियांमुळे निश्चित होते : (१) शलाकेमधील विद्युत् भारित कणांमुळे त्यांच्या गतिमार्गावर अवकाश भार जमा होऊन त्या योगे स्थानिक विद्युत् क्षेत्रे निर्माण होतात. यामुळे शलाकेतील कणांचे विचलन होऊ शकते. (२) नलिकेच्या केंद्रभागातून ४०–५० अँपिअर मूल्याचा जो विद्युत् प्रवाह वाहू लागतो त्यामुळे एक स्वयंचुंबकीय क्षेत्र निर्माण होते. हे क्षेत्र व शलाका यांमध्ये परस्परक्रिया होऊन शलाकेचे सरळ विकेंद्रीकरण होते किंवा तिच्यामध्ये आंदोलने निर्माण होऊन परिणामी विकेंद्रीकरण घडून येऊ शकते.

प्रतिप्रोटॉन साठवण वलय : पुरेशा वेगवान प्रोटॉन कणांद्वारे योग्य लक्ष्यांवर आघात केला असता त्यापासून प्रतिप्रोटॉनांची निर्मिती होते. निर्माण झालेल्या प्रतिप्रोटॉनांना वेगवर्धकाद्वारे इष्ट तेवढी उर्जा देता येते. प्रतिप्रोटॉन ज्या प्रकारे निर्माण होतात त्यामुळे त्यांच्या वेगात दोन घटक असतात. यांपैकी पहिल्या मुख्य वेगघटकामुळे हे सर्व कण एकाच दिशेत एकाच वेगाने मार्गक्रमण करतात. कणाचा दुसरा वेगघटक हा खूप कमी प्रतीचा असतो. या घटकाच्या अवकाशातील दिशेवर निर्बंध नसतो. त्यामुळे या दिशांचे वितरण यदृच्छ प्रकारचे असते. या यदृच्छ वेगघटकामुळे कणाचे तापमान निश्चित होते. जेवढे वेगघटकाचे सरासरी मूल्य जास्त, तेवढे या कणाचे तापमान जास्त असे म्हणता येते. या यदृच्छ वेगघटकामुळे प्रतिप्रोटॉन शलाकेचे विकेंद्रीकरण होण्याची शक्यता असल्यामुळे साठवण वलयात कणांना पाठविण्याआधी या कणांचे तापमान प्रथम कमी करणे आवश्यक असते. या प्रक्रियेकरिता दोन पद्धती उपलब्ध आहेत. (१) जी. आय्. बुडकर यांची इलेक्ट्रॉनद्वारा शीतन पद्धत व (२) सायमन व्हॅन डर मेर यांची प्रसंभाव्य शलाका शीतन पद्धत.

(१) इलेक्ट्रॉनद्वारा शीतन : वेगवर्धन करण्याच्या पूर्वीचे कमी ऊर्जेचे प्रतिप्रोटॉन हे एका मोठ्या आकारमानाच्या साठवण नलिकेत प्रथम बंदिस्त केले जातात. याच वेगाने व सरासरी याच दिशेत गतिमान होत असणारे इलेक्ट्रॉन नंतर या नलिकेत सोडले जातात. इलेक्ट्रॉनांचे तापमान कमी प्रतीचे असल्यामुळे इलेक्ट्रॉन व प्रतिप्रोटॉन यांमध्ये परस्परक्रिया घडून येते तेव्हा इलेक्ट्रॉनाचे तापमान वाढले तर प्रतिप्रोटॉनाचे तापमान तेवढ्याच प्रमाणात कमी केले जाते. या विक्रियेनंतर योग्य चुंबकीय क्षेत्राचा उपयोग करून इलेक्ट्रॉन व प्रतिप्रोटॉन एकमेकांपासून अलग केले जातात व प्रतिप्रोटॉन पुढील कार्यासाठी वेगवर्धकाकडे नेले जातात.

(२) व्हॅन डर मेर यांची प्रसंभाव्य शलाका शीतन पद्धत: अती वेगवान प्रोटॉनांचा समूह स्पंदाच्या स्वरूपात लक्ष्यावर येऊन आदळला असता प्रतिप्रोटॉनांचा एक समूहस्पंद बाहेर फेकला जातो. प्रतिप्रोटॉन समुहातील कणांची संख्या अत्यल्प असते (आघात प्रयोगाकरिता पुरेशी नसते) व या कणांचा गतिवेग पण एकसमान नसतो. त्यामध्ये काही प्रमाणात भिन्नता आढळून येते. निरनिराळ्या वेळी प्रोटॉन आघाताद्वारे निर्माण केलेल्या प्रतिप्रोटॉन कणांना एकत्रित करून, त्यांची साठवण संचायक नलिकेत करून, एकंदर कणसंख्येत वाढ करणे शक्य असते. संचायन नलिकेमध्ये १०-१० टॉर या दर्जाचा उच्च निर्वात असून मार्गदर्शन करणाऱ्या चुंबकीय क्षेत्राच्या साहाय्याने कणांना त्यामध्ये एक ठराविक त्रिज्येच्या वर्तुळाकार मार्गावर सारखे फिरत ठेवले जाते. संचायक नलिकेत स्वीकार केला जाऊन कणधारणा होण्याकरिता संचयित कणाच्या गतिवेगामधील (दिशा व / किंवा मूल्य) फरक एका ठराविक प्रमाणाबाहेर असून चालत नाही. गतिवेगामधील फरकामुळे शलाका जशी प्रगत होते तसा तिचा काटच्छेद व विस्तार या दोहोंमध्ये वाढ होऊन शलाकेमधील कणांच्या घनफळ-घनतेत घट होईल, हे स्पष्ट आहे.


आ. १३. व्हॅन डर मेर पद्धतीने प्रोटॉन शलाकेचे ‘शीतन’ केल्यानंतर तीमधील संवेग वितरणात होणारा बदल : (अ) मूळ संवेग वितरण (आ) शीतन पद्धतीचा काही काळ उपयोग केल्यानंतर मिळणारे वितरण (इ) शीतनानंतर मिळणारे अंतिम वितरण.

व्हॅन डर मेर यांच्या पद्धतीमध्ये संचायकाकडे येणाऱ्या प्रत्येक प्रतिप्रोटॉन कण समूहावर अनेक वेळा परत परत संस्करण करून त्यामधील कणांचा वेगफरक व विस्तार या दोहोंमध्ये घट केली जाते आणि अशा रीतीने शलाकेमधील कणांच्या घनफळ-घनतेत प्रत्यक्षात वाढ केली जाते. या क्रियेस‘शलाका शीतन’ ही तांत्रिक संज्ञा दिली जाते. उपकरणात प्रवेश करणाऱ्या असंस्कारित कणसमूहाच्या काटच्छेदावरील घनता गुरुत्वमध्याचा शोध एका उद्ग्रहण विद्युत् अग्राच्याद्वारे घेतला जातो. मिळालेल्या प्रदत्ताचे संगणकाद्वारे (गणक यंत्राद्वारे) परिशीलन करून त्या योगे निश्चित केलेले विद्युत् क्षेत्र परिभ्रमण करणाऱ्या कणसमूहावर परत परत लावून समूह कणांतील गतिवेग फरक आणि विस्तार क्रमशः कमी केला जातो. कणांच्या गतिवेगातील भिन्नता अनियत प्रकारे वितरित झालेली असल्याने लावलेल्या विद्युत् क्षेत्रामुळे सर्व कणांकरिता अनुकूल असाच परिणाम घडून येत नसला, तरी शलाकेमधील बहुसंख्य कणांवर अनुकूल परिणाम घडून येऊन सरासरीने या प्रक्रियेचा परिणाम इष्ट असाच होतो. अशा तऱ्हेने संस्कारित केलेला कणसमूह संचायक नलिकेतील साठविण्याच्या जागी पाठविला जातो. यानंतर दुसरा कणसमूह संस्करणाकरिता स्वीकारला जातो. अशा प्रकारे अलग रीतीने संस्कारित केलेले अनेक कणसमूह एकत्रित केले असता त्यांमधील कणांच्या घनफळ-घनतेत प्रचंड वाढ होते. समृद्ध कणसमूहाचे वेगवर्धन करून त्याचा प्रोटॉनांबरोबर आघात क्रियेकरिता उपयोग केला जातो. संचायक नलिकेत अशा प्रकारे प्रतिप्रोटॉन कणांची काही तासांपर्यंत कार्यक्षमतेने साठवण करता येते.‘शीतन’ प्रक्रियेविषयी अधिक स्पष्ट कल्पना आ. १३ वरून येईल. शीतन प्रक्रियेच्या उपयोजनेमुळे शलाकेतील कणांच्या संवेग वितरणात कशा प्रकारे फरक पडत जातो हे आकृतीवरून स्पष्ट होते.

या पद्धतीचा उपयोग करून सर्नच्या प्रयोगशाळेत प्रतिप्रोटॉन शलाकेमधील उपलब्ध कणसंख्या कित्येक लाख पटींनी वाढविण्यात यश आले.

इलेक्ट्रॉन-पॉझिट्रॉन साठवण वलय : इलेक्ट्रॉन-पॉझिट्रॉनाकरिता जगातील पहिले साठवण वलय इटलीमध्ये १९५९ मध्ये बी. टूशेक यांच्या नेतृत्वाखाली उभारण्यात आले होते. त्यानंतर खाली दाखविल्याप्रमाणे जगातील अनेक प्रयोगशाळांमधून या तंत्राचा उपयोग करण्यात येऊ लागला.

आ. १४ मध्ये e+-e साठवण वलयाचा e+ व e यांमध्ये आघात घडवून आणण्याकरिता कसा उपयोग करतात, हे दाखविले आहे.

e+-e या कण जोडीकरिता साठवण वलय योजना सर्वप्रथम कार्यान्वित करण्यात आली. प.जर्मनीतील डेसी प्रयोगशाळेत e-e+ शलाका कण साठवण व आघातक योजना १९७८ मध्ये कार्यान्वित झाली.


या यंत्रामध्ये इलेक्ट्रॉनांना (पॉझिट्रॉनांना) वेगवर्धित केल्यामुळे त्यांपासून सिंक्रोट्रॉन प्रारणाचे उत्सर्जन होते. अशा प्रकारे व्यय होणाऱ्या उर्जेचे परिमार्जन करणे आवश्यक ठरते. या परिणामामुळे e+-eसाठवण करण्याकरिता जास्त विद्युत् उर्जा खर्च करावी लागते. या यंत्राद्वारे इलेक्ट्रॉनांना जास्तीत जास्त किती ऊर्जा देता येईल हे शेवटी या परिणामामुळेच निश्चित होत असते.

अतिसंवाहक विद्युत् चुंबक : अधिकाधिक उर्जाधारी कण निर्माण करण्याच्या योजनेत (पहा कोष्टक क्र. १३) वेगवर्धक यंत्राचा आकार, ते निर्माण करावयास लागणारा खर्च, ते कार्यान्वित करण्याकरिता लागणारी विद्युत् उर्जा यांमध्ये इतक्या प्रचंड वेगाने वाढ होत असते की, या निकषामुळे भविष्यकाळात अशा प्रकारच्या प्रकल्पांवर मर्यादा येणार याची स्पष्ट चिन्हे दिसत आहेत. अमेरिकेमध्ये नियोजित ‘डेझरट्रॉन’ योजनेकरिता १०० किमी. आकारमानाची जागा, एक अब्ज डॉलर एवढा खर्च व ती कार्यान्वित करण्याकरिता दीड लाख वस्तीच्या गावाकरिता लागते तेवढी विद्युत् ऊर्जा लागेल, असा अंदाज करण्यात आला आहे. त्यामुळे सध्याच्या प्रकारच्या वेगवर्धक यंत्राच्या ऊर्जाक्षमतेत काही ठराविक मर्यादेनंतर वाढ करणे शक्य होणार नाही, हे उघड आहे.

आ. १४ e+ -e- साठवण वलयाच्या कार्याचे स्पष्टीकरण करणारा आराखडा : (१) परस्परक्रिया कक्ष, (२) अंतःक्षेपण.

अतिसंवाहक विद्युत् चुंबकाचा [ ⟶ अतिसंवाहकता] मार्गदर्शक व केंद्रीकरण चुंबकीय क्षेत्राच्या निर्मितीकरिता उपयोग करून वेगवर्धक यंत्राच्या उभारणीकरिता लागणाऱ्या खर्चात बचत करण्याच्या पद्धतीवर संशोधन पूर्ण होऊन अशा योजना वापरात येऊ लागल्या आहेत. विद्युत् चुंबकाकरिता विद्युत् संवाहक म्हणून विशिष्ट रचनेच्या धातूच्या तारा वापरल्या जातात. त्या सर्व द्रवरूप हिलियमामध्ये (तापमान ≈ ४·५ के.) बुडवून ठेवल्यामुळे त्यांचा विद्युत् रोध नगण्य स्वरूपाचा होतो. विद्युत् प्रवाहामुळे त्यामध्ये निर्माण होणाऱ्या उष्णता उत्सर्जनाचे प्रमाण अतिशय कमी असते. त्यामुळे अत्यंत कमी विद्युत् ऊर्जेच उपयोग करून त्यायोगे प्रबल चुंबकीय क्षेत्रे निर्माण करणे शक्य होते. साध्या विद्युत् चुंबकाद्वारे सामान्यपणे दोन टेस्ला या महत्तम मूल्याचे चुंबकीय क्षेत्र मिळविता येते, तर अतिसंवाहक विद्युत् चुंबकामध्ये हे मूल्य दुप्पट म्हणजे ४–५ टेस्लापर्यंत वाढविता येते. चुंबकीय क्षेत्र मूल्यात वाढ झाल्यामुळे कण परिभ्रमण कक्षेची त्रिज्या (म्हणजेच वेगवर्धक यंत्राचे आकारमान) खूप कमी होऊ शकते. सिंक्रोट्रॉन यंत्राची त्रिज्या १/३ पटीने कमी होते, तर त्याचे घनफळ १/९ पटीने कमी होते. त्यामुळे यंत्राची निर्मिती व ते चालू ठेवण्याकरिता लागणारा खर्च यांमध्ये मोठ्या प्रमाणात बचत होते. अमेरिकेतील फेर्मी प्रयोगशाळेत अतिसंवाहक विद्युत् चुंबकाचा वापर करून एक सिंक्रोट्रॉन बांधण्यात येत आहे. त्यामध्ये शलाकेचे मार्गदर्शन करण्याकरिता ७७४ द्विध्रुवीय चुंबक, तर २१८ चतुर्ध्रुवीय चुंबक असून त्यायोगे १,००० GeV उर्जेचे प्रोटॉन निर्माण होणार आहेत. चुंबक व त्याच्या तारा थंड ठेवण्याकरिता यंत्राला ४,००० लि. हीलियम द्रव प्रती तास पुरवावा लागेल असा अंदाज करण्यात आला आहे. यामधील ६ मी. लांबीच्या चुंबकाचे थंड केल्यानंतर २ सेंमी. आकुंचन होते. त्यामुळे त्यायोगे चुंबकीय क्षेत्रात जे बदल निर्माण होतात, त्यांचे परिमार्जन करण्याकरिता संगणकाने निश्चित केलेली उपाययोजना वापरली जाणार आहे.

पहा : इलेक्ट्रॉन कण अभिज्ञातक कणवेगवर्धन न्यूट्रॉन न्यूट्रिनो पॉझिट्रॉन प्रोटॉन फोटॉन.

संदर्भ : 1. CERN, Annual Reports, Geneva, 1978, 1981, 1983.

2. CERN, The Discovery of ‘heavy Light’, CERN Courier, November 1983.

3. Close, F. Hybrids and Glueballs: New Forms of Matter, New Scientist, 7 July 1983.

4. Fisher, A. Cosmic Order, Popular Science, May 1983.

5. Fraunfelder, H. Henley, E.M. Subatomic Physics, Englewood Cliffs, N.J., 1974.

6. Georji, H. A. Unified Theory of Elementary Particles and Forces, Scientific American,April 1981.

7. Glashow, S. L. Grand Unification: Tomorrow’s Physics, New Scientist, 18 September 1980.

8. Harari, H. The Structure of Quarks and Leptons, Scientific American, April 1983.

9. Ishikawa, K. Glueballs, Scientific American, November 1982.

10. Lawson, J. D. New Concepts for High Energies, Nature, 10 November 1984.

11. Littlefield, T. A. Thorley, N. Atomic and Nuclear Physics, London, 1972.

12. Perkins, D. M.Introduction to High Energy Physics, Reading, Mass, 1982.

13. Rebbi, C. The Lattice Theory of Quark Confinement, Scientific American, February 1983.

14. Robinson, B. L. CERN Reports First Vector Boson Evidence, Science, 4 February 1983.

15. Schechter, B. The Moment of Creation, Discover, April 1983.

16. Segre, E. Nuclei and Particles, New York, 1965.

17. Swartz, C. E. The Fundamental Particles, Reading, Mass,. 1965.

18. Waldrop, M. M. New Ways to Accelerate, Science, 17 June 1983.

19. Wilson, R. R. The Next Generation of Particle Accelerators, Scientific American, January 1980.

चिपळोणकर, व. त्रिं.