కణ భౌతికశాస్త్రం

**కణ భౌతికశాస్త్రం** (ఆంగ్లం: **Particle Physics**) అంటే పదార్థములోనూ, వికిరణం (*Radiation*) లోనూ కనిపించే అతి సూక్ష్మమైన కణాలు, వాటి గుణగణాలను అధ్యయనం చేసే భౌతికశాస్త్ర విభాగం. ఇక్కడ కణాలు అంటే విభజించడానికి వీలులేని అత్యంత సూక్ష్మమైన కణాలు లేదా ప్రాథమిక కణాలు (*elementary particles*) అని అర్థం. వీటి ప్రవర్తనకు కారణమయ్యే ప్రాథమిక చర్యల గురించి ఈ శాస్త్రంలో అధ్యయనం చేస్తారు. ప్రస్తుతం శాస్త్రజ్ఞుల అర్థం చేసుకున్నదాని ప్రకారం ఈ ప్రాథమిక కణాలు, క్వాంటం ఫీల్డ్స్ (*Quantum fields*) ఉత్తేజం పొందినపుడు ఏర్పడి దానికనుగుణంగా ప్రవర్తిస్తాయి. ప్రామాణిక నమూనా (*Standard Model*) అనే ప్రభలమైన సిద్ధాంతం ప్రస్తుతం ఈ విషయాలను వివరించగలుగుతుంది. శాస్త్రజ్ఞులంతా ఈ సిద్ధాంతాన్ని వ్యాప్తి చేసేందుకు పరిశోధనలు చేస్తున్నారు. ఉదాహరణకు ఇటీవలే కనుగొన్న హిగ్స్ బోసాన్ నుంచి ఎప్పటి నుంచో ఉన్న గురుత్వాకర్షణ శక్తి వరకు ఇందులో పరిశోధనాంశాలు.

విశ్వంలోని ప్రాథమిక కణాలను ప్రామాణిక నమూనా (Standard Model) ప్రకారం రెండు రకాలుగా విభజించారు. అవి: ఫెర్మియాన్లు (పదార్థ కణాలు), బోసాన్లు (బలాన్ని మోసే కణాలు). ఫెర్మియాన్లలో మూడు తరాలు ఉంటాయి. మనం చూసే సాధారణ పదార్థం కేవలం మొదటి తరం ఫెర్మియాన్లతోనే తయారవుతుంది. ఈ మొదటి తరంలో అప్ క్వార్కులు, డౌన్ క్వార్కులు (ఇవి ప్రోటాన్లు, న్యూట్రాన్లను ఏర్పరుస్తాయి), మరియు ఎలక్ట్రాన్లు, ఎలక్ట్రాన్ న్యూట్రినోలు ఉంటాయి. బోసాన్ల ద్వారా పనిచేసే మూడు ముఖ్యమైన ప్రాథమిక బలాలు: విద్యుదయస్కాంతత్వం, దుర్బల బలం (weak interaction), మరియు ప్రబల బలం (strong interaction).

క్వార్కులు కలిసి హ్యాడ్రాన్లను ఏర్పరుస్తాయి, కానీ ఇవి విడిగా ఉండలేవు. బేసి సంఖ్యలో క్వార్కులు ఉన్న హ్యాడ్రాన్లను బేరియాన్లు అని, సరి సంఖ్యలో క్వార్కులు ఉన్న వాటిని మెసాన్లు అని అంటారు. మన చుట్టూ ఉన్న పదార్థం బరువులో ఎక్కువ భాగం ప్రోటాన్లు, న్యూట్రాన్లు అనే రెండు బేరియాన్ల వల్లే ఉంటుంది. మెసాన్లు చాలా తక్కువ కాలం మాత్రమే ఉంటాయి. ఇవి క్వార్కులతో తయారైన కణాలు ఒకదానికొకటి వేగంగా ఢీకొన్నప్పుడు (ఉదాహరణకు అంతరిక్ష కిరణాల్లోని కణాలు) ఏర్పడతాయి. వీటిని కణ త్వరణ యంత్రాలలో (particle accelerators) కూడా తయారు చేయవచ్చు.

ప్రతి కణానికి సమానమైన ద్రవ్యరాశి (mass) ఉండి, వ్యతిరేక విద్యుత్ ఆవేశం (electric charge) ఉండే 'ప్రతికణము' (antiparticle) ఉంటుంది. ఉదాహరణకు, ఎలక్ట్రాన్ యొక్క ప్రతికణము పాజిట్రాన్. ఎలక్ట్రాన్‌కు ప్రతికూల (-) ఆవేశం ఉంటే, పాజిట్రాన్‌కు అనుకూల (+) ఆవేశం ఉంటుంది. ఈ ప్రతికణాలన్నీ కలిసి ప్రతి-పదార్థాన్ని (antimatter) ఏర్పరుస్తాయి. ఫోటాన్ వంటి కొన్ని కణాలు తమకు తామే ప్రతికణాలుగా ఉంటాయి.

ఈ ప్రాథమిక కణాలు క్వాంటం క్షేత్రాల (quantum fields) నుండి పుడతాయి. ఈ కణాలు మరియు వాటి మధ్య జరిగే చర్యలను వివరించే ప్రధాన సిద్ధాంతాన్ని ప్రామాణిక నమూనా అంటారు. ప్రస్తుత కణ భౌతిక శాస్త్రానికి గురుత్వాకర్షణ శక్తిని (gravity) జోడించడం ఇంకా సాధ్యం కాలేదు. దీని కోసం లూప్ క్వాంటం గ్రావిటీ, స్ట్రింగ్ థియరీ, మరియు సూపర్ సిమెట్రీ వంటి అనేక సిద్ధాంతాలు ప్రయత్నిస్తున్నాయి.

ప్రయోగాత్మక కణ భౌతిక శాస్త్రం (Experimental particle physics) రేడియోధార్మిక ప్రక్రియల్లో మరియు లార్జ్ హ్యాడ్రాన్ కొలైడర్ వంటి యంత్రాల్లో ఈ కణాలను పరిశీలిస్తుంది. సిద్ధాంతపరమైన కణ భౌతిక శాస్త్రం (Theoretical particle physics) ఈ కణాలను విశ్వ విజ్ఞానం మరియు క్వాంటం మెకానిక్స్ పరంగా అధ్యయనం చేస్తుంది. ఈ రెండూ ఒకదానిపై ఒకటి ఆధారపడి ఉంటాయి. ఉదాహరణకు, హిగ్స్ బోసాన్ ఉనికిని ముందుగా సిద్ధాంతం ద్వారా ఊహించారు, ఆ తర్వాతే ప్రయోగాల ద్వారా నిరూపించారు.

## చరిత్ర
సృష్టిలో కనిపించే ప్రతి పదార్థం విభజించడానికి వీలులేని అతి సూక్ష్మమైన కణాలచే నిర్మించబడి ఉందనే భావన క్రీ.పూ 6 వ శతాబ్దం నుంచే ప్రాచుర్యంలో ఉంది. 19వ శతాబ్దంలో జాన్‌ డాల్టన్ అనే శాస్త్రవేత్త *[[స్టాయికియోమెట్రీ]]* అనే విషయంపై పరిశోధన చేస్తూ ప్రకృతి మొత్తం ఒకే రకమైన కణాలతో నిర్మితమై ఉంటుందని పేర్కొన్నాడు. పరమాణువు (*ఆటమ్*) అనే పదానికి గ్రీకులో *విభజించడానికి వీలులేని* అని అర్థం ఉంది. రసాయన శాస్త్రజ్ఞులు చాలా రోజుల వరకు పరమాణువులనే అత్యంత చిన్న కణాలుగా భావిస్తూ వచ్చారు. కానీ భౌతిక శాస్త్రవేత్తలు మాత్రం వీటి కన్నా సూక్ష్మమైన ఎలక్ట్రాన్ల లాంటి కణాలు ఉన్నాయని కనుగొన్నారు.

పదార్థం అంతా చిన్న కణాలతో తయారైందనే ఆలోచన క్రీస్తుపూర్వం 6వ శతాబ్దం నుండే ఉంది. 19వ శతాబ్దంలో జాన్ డాల్టన్ తన పరిశోధనల ద్వారా ప్రకృతిలోని ప్రతి మూలకం ఒక ప్రత్యేక రకమైన కణంతో తయారవుతుందని చెప్పారు. గ్రీకు భాషలో 'అటొమోస్' (indivisible) అంటే విభజించడానికి వీలులేనిది అని అర్థం. దీని నుండే పరమాణువు (Atom) అనే పదం వచ్చింది. మొదట్లో పరమాణువే అతి చిన్న కణం అని అనుకున్నారు, కానీ తర్వాత శాస్త్రవేత్తలు ఎలక్ట్రాన్ వంటి ఇంకా చిన్న కణాలు అందులో ఉన్నాయని కనుగొన్నారు. 20వ శతాబ్దపు ఆరంభంలో జరిగిన పరిశోధనలు 1939లో లిస్ మీట్నర్ ద్వారా కేంద్రక విచ్ఛిత్తి (nuclear fission) మరియు అదే ఏడాది హన్స్ బేతే ద్వారా కేంద్రక సంలీనం (nuclear fusion) నిరూపణకు దారితీశాయి. ఈ ఆవిష్కరణలే అణు బాంబుల తయారీకి కారణమయ్యాయి. 1947లో హన్స్ బేతే చేసిన లెక్కలు ఆధునిక కణ భౌతిక శాస్త్రానికి పునాది వేశాయి.

1950 మరియు 1960 కాలంలో కణాలను వేగంగా ఢీకొట్టడం ద్వారా చాలా రకాల కొత్త కణాలు బయటపడ్డాయి. దీనిని అప్పట్లో "కణాల జూ" (particle zoo) అని పిలిచేవారు. జేమ్స్ క్రోనిన్ మరియు వాల్ ఫిచ్ చేసిన పరిశోధనలు పదార్థం మరియు ప్రతి-పదార్థాల మధ్య సమతుల్యత లేకపోవడంపై కొత్త ప్రశ్నలను లేవనెత్తాయి. 1970లలో 'ప్రామాణిక నమూనా' (Standard Model) వచ్చిన తర్వాత ఈ కణాలన్నింటినీ క్రమబద్ధీకరించారు. తక్కువ సంఖ్యలో ఉండే ప్రామాణిక కణాల కలయిక వల్లే ఇన్ని కణాలు ఏర్పడుతున్నాయని క్వాంటం ఫీల్డ్ సిద్ధాంతాల ద్వారా వివరించారు. ఇది ఆధునిక కణ భౌతిక శాస్త్రానికి ఆరంభం.

## ప్రామాణిక నమూనా
ప్రాథమిక కణాల విభజనను వివరించే పద్ధతిని ప్రామాణిక నమూనా అని అంటారు. క్వార్కుల ఉనికి ప్రయోగపూర్వకంగా నిరూపించబడిన తర్వాత 1970వ దశకంలో దీనికి గుర్తింపు వచ్చింది. ఇది ప్రబల, దుర్బల మరియు విద్యుదయస్కాంత బలాలను వివరించడానికి 'గేజ్ బోసాన్లను' (gauge bosons) ఉపయోగిస్తుంది. ఇందులో ఎనిమిది రకాల గ్లూవాన్లు, W మరియు Z బోసాన్లు, మరియు ఫోటాన్ ఉంటాయి. ఈ నమూనాలో 24 రకాల ప్రాథమిక ఫెర్మియాన్లు (12 కణాలు, 12 ప్రతికణాలు) ఉంటాయి, ఇవే పదార్థం ఏర్పడటానికి మూలం. అలాగే ఈ సిద్ధాంతం హిగ్స్ బోసాన్ అనే కణం ఉంటుందని ముందే చెప్పింది. 2012 జూలై 4న సెర్న్ (CERN) శాస్త్రవేత్తలు హిగ్స్ బోసాన్ వంటి లక్షణాలున్న కణాన్ని కనుగొన్నట్లు ప్రకటించారు.

ప్రస్తుత ప్రామాణిక నమూనాలో 61 ప్రాథమిక కణాలు ఉన్నాయి.ఈ కణాలు ఒకదానితో ఒకటి కలిసి వందలాది ఇతర కణాలను ఏర్పరుస్తాయి. ఈ నమూనా ఇప్పటివరకు జరిగిన అన్ని ప్రయోగాలకు సరిపోతుంది. కానీ, ఇది ప్రకృతిని పూర్తిగా వివరించలేదని శాస్త్రవేత్తలు నమ్ముతారు (దీనిని అన్నింటికీ వర్తించే సిద్ధాంతం లేదా TOE అని అంటారు). ఇటీవలి కాలంలో న్యూట్రినోలకు ద్రవ్యరాశి ఉందని కనుగొనడం ఈ నమూనాలో మార్పులు అవసరమని సూచిస్తోంది, ఎందుకంటే ప్రామాణిక నమూనాలో వీటికి బరువు ఉండదు.

## పరమాణువు లోపలి కణాలు

ఆధునిక కణ భౌతిక శాస్త్రం పరమాణువు లోపల ఉండే ఎలక్ట్రాన్లు, ప్రోటాన్లు మరియు న్యూట్రాన్లపై దృష్టి పెడుతుంది. వీటితో పాటు రేడియోధార్మికత వల్ల ఏర్పడే ఫోటాన్లు, న్యూట్రినోలు, మ్యూయాన్లు మరియు ఇతర వింత కణాలను కూడా పరిశీలిస్తుంది.

కణాల కదలికలు క్వాంటం మెకానిక్స్ ద్వారా నియంత్రించబడతాయి. ఇవి కొన్ని సమయాల్లో కణాలుగా, మరికొన్ని సమయాల్లో తరంగాలుగా (ద్వంద్వ స్వభావం) ప్రవర్తిస్తాయి. ప్రస్తుత అవగాహన ప్రకారం మళ్ళీ విభజించడానికి వీలులేని కణాలనే 'ప్రాథమిక కణాలు' (elementary particles) అని పిలుస్తారు.

### క్వార్కులు -లెప్టాన్లు

సాధారణ పదార్థం మొదటి తరం క్వార్కులు (అప్, డౌన్) మరియు లెప్టాన్లతో (ఎలక్ట్రాన్, ఎలక్ట్రాన్ న్యూట్రినో) తయారవుతుంది. క్వార్కులు మరియు లెప్టాన్లను కలిపి ఫెర్మియాన్లు అని అంటారు. ఇవి పౌలీ వివర్జన నియమాన్ని పాటిస్తాయి, అంటే ఒకే క్వాంటం స్థితిలో రెండు కణాలు ఉండలేవు. క్వార్కులకు భిన్నమైన విద్యుత్ ఆవేశం (-1/3 లేదా 2/3) ఉంటుంది. క్వార్కులకు 'రంగు' (color charge) అనే గుణం ఉంటుంది (ఇది మన కంటికి కనిపించే రంగు కాదు). ఈ రంగుల వల్ల ఏర్పడే బలం కారణంగా క్వార్కులు ఎప్పుడూ విడిగా ఉండలేవు, వీటిని ఎప్పుడూ గుంపులుగానే చూడగలం. దీనిని 'కలర్ కన్ఫైన్‌మెంట్' అంటారు.

మొత్తం మూడు తరాల క్వార్కులు (అప్-డౌన్, స్ట్రేంజ్-చార్మ్, టాప్-బాటమ్) మరియు లెప్టాన్లు (ఎలక్ట్రాన్-న్యూట్రినో, మ్యూయాన్-న్యూట్రినో, టౌ-న్యూట్రినో) ఉన్నాయని మనకు తెలుసు. నాలుగో తరం ఉండే అవకాశం లేదని శాస్త్రవేత్తలు భావిస్తున్నారు.

### బోసాన్లు

బోసాన్లు ప్రాథమిక బలాలను మోసుకెళ్లే కణాలు. విద్యుదయస్కాంత బలాన్ని ఫోటాన్ మోస్తుంది. ఫోటాన్లను మనం కాంతి రూపంలో చూస్తాము. దుర్బల బలాన్ని W మరియు Z బోసాన్లు మోస్తాయి. ప్రబల బలాన్ని గ్లూవాన్లు మోస్తాయి. ఇవి క్వార్కులను కలిపి ఉంచుతాయి. హిగ్స్ బోసాన్ వల్ల ఇతర కణాలకు ద్రవ్యరాశి (బరువు) వస్తుంది. గ్లూవాన్లు మరియు ఫోటాన్లకు అసలు ద్రవ్యరాశి ఉండదు. బోసాన్లు అన్నీ ఒకే స్థితిలో ఉండగలవు.

### ప్రతికణాలు - రంగు ఆవేశం

పైన చెప్పిన కణాలకు వ్యతిరేక లక్షణాలున్న ప్రతికణాలు ఉంటాయి. వీటినే ప్రతి-పదార్థం (antimatter) అంటారు. ఉదాహరణకు ఎలక్ట్రాన్‌కు అనుకూల ఆవేశం ఉన్న ప్రతికణం పాజిట్రాన్. ఒక కణం మరియు దాని ప్రతికణం ఢీకొంటే అవి నశించి శక్తిగా మారిపోతాయి. క్వార్కులు మరియు గ్లూవాన్లకు రంగు ఆవేశాలు (red, green, blue) ఉంటాయి. వీటి మధ్య జరిగే చర్యల వల్ల కణాలు బలంగా కలిసి ఉంటాయి.

### సంక్లిష్ట కణాలు

మన పరమాణువులోని ప్రోటాన్లు, న్యూట్రాన్లు క్వార్కులతో తయారైనవే. ఒక ప్రోటాన్‌లో రెండు అప్ క్వార్కులు, ఒక డౌన్ క్వార్క్ ఉంటాయి. న్యూట్రాన్‌లో రెండు డౌన్, ఒక అప్ క్వార్కులు ఉంటాయి. వీటిని బేరియాన్లు అంటారు. రెండు క్వార్కులు ఉన్నవాటిని మెసాన్లు అంటారు. ఇవన్నీ కలిసి హ్యాడ్రాన్ల జాబితాలోకి వస్తాయి. ఈ కణాలు రంగుల పరంగా తటస్థంగా (తెల్లగా) ఉండాలి.

### ఊహాజనిత కణాలు
గ్రావిటాన్ అనేది గురుత్వాకర్షణ శక్తికి కారణమని భావించే ఒక ఊహాజనిత కణం. కానీ దీన్ని ఇప్పటివరకు ఎవరూ చూడలేదు. ఇలాగే చీకటి పదార్థం (dark matter), చీకటి శక్తి (dark energy) వంటి వాటిని వివరించడానికి శాస్త్రవేత్తలు అనేక కొత్త కణాలు ఉండవచ్చని ఊహిస్తున్నారు.

## ప్రయోగశాలలు

ప్రపంచంలోని కొన్ని ముఖ్యమైన కణ భౌతిక ప్రయోగశాలలు:

**[[CERN|సెర్న్ (CERN)]]**: ఇది స్విట్జర్లాండ్ మరియు ఫ్రాన్స్ సరిహద్దులో ఉంది. ఇక్కడ ప్రపంచంలోనే అతిపెద్ద కణ త్వరణ యంత్రం లార్జ్ హ్యాడ్రాన్ కొలైడర్ ఉంది.

**[[Fermilab|ఫెర్మీ ల్యాబ్]]**: ఇది అమెరికాలోని ఇల్లినాయిస్‌లో ఉంది.

**[[KEK|కేఈకే (KEK)]]**: ఇది జపాన్‌లో ఉంది, ఇక్కడ న్యూట్రినోలపై పరిశోధనలు జరుగుతాయి.

**[[Brookhaven National Laboratory|బ్రూక్‌హావెన్ జాతీయ ప్రయోగశాల]]**: ఇది అమెరికాలోని న్యూయార్క్‌లో ఉంది.

**[[DESY|డెసీ (DESY)]]**: ఇది జర్మనీలోని హాంబర్గ్‌లో ఉంది.

## సిద్ధాంతం
సిద్ధాంతపరమైన కణ భౌతిక శాస్త్రం గణిత నమూనాలను ఉపయోగించి కణాల ప్రవర్తనను ముందుగానే ఊహిస్తుంది. ఇందులో మూడు ముఖ్యమైన రకాలు ఉన్నాయి:

**ప్రామాణిక నమూనా పరిశోధన**: ఉన్న సిద్ధాంతాన్ని ఇంకా బాగా అర్థం చేసుకోవడం.
**మోడల్ బిల్డింగ్**: ప్రామాణిక నమూనా దాటి ఇంకా ఏముందో కనుగొనడం.
**స్ట్రింగ్ థియరీ**: కణాలు చిన్న తీగలు (strings) లాంటివని భావించి విశ్వాన్ని వివరించడం.
## ఉపయోగాలు
కణ భౌతిక శాస్త్రం కేవలం సిద్ధాంతాలకే పరిమితం కాదు. దీనివల్ల మనకు చాలా ఉపయోగాలు ఉన్నాయి:

**వైద్య రంగం**: క్యాన్సర్ చికిత్సలో వాడే రేడియోథెరపీ, మరియు ఎంఆర్ఐ (MRI), పెట్ (PET) స్కాన్ల వంటి పరికరాలు కణ భౌతిక శాస్త్రం వల్లే సాధ్యమయ్యాయి.

**సాంకేతికత**: ఇంటర్నెట్‌లో మనం వాడుతున్న **వరల్డ్ వైడ్ వెబ్ (WWW)** మరియు స్మార్ట్‌ఫోన్లలోని **టచ్ స్క్రీన్** సాంకేతికత సెర్న్ (CERN) ప్రయోగశాలలోనే పుట్టాయి.

**సూపర్ కండక్టర్లు**: విద్యుత్ నష్టం లేకుండా ప్రవహించేలా చేసే సూపర్ కండక్టర్ల అభివృద్ధిలో ఈ శాస్త్రం పాత్ర ఎంతో ఉంది.

## భవిష్యత్తు
సెర్న్ ప్రయోగశాల భవిష్యత్తులో ఇంకా పెద్ద కణ త్వరణ యంత్రాలను (Future Circular Collider) నిర్మించాలని చూస్తోంది. అమెరికాలో కూడా న్యూట్రినోలపై మరిన్ని ప్రయోగాలు చేయడానికి సిద్ధమవుతున్నారు. ఈ పరిశోధనల ద్వారా విశ్వం ఎలా పుట్టింది? చీకటి పదార్థం అంటే ఏమిటి? వంటి రహస్యాలు తెలుస్తాయని భావిస్తున్నారు.

## ఇవి కూడా చూడండి

## మూలాలు

## ఇవి కూడా చూడండి
* పార్టికల్ యాక్సెలరేటర్

వర్గం:భౌతిక శాస్త్రం