প্রোটনের ভিতরে, 'সবচেয়ে জটিল জিনিস যা আপনি সম্ভবত কল্পনা করতে পারেন'

আর্নেস্ট রাদারফোর্ড প্রতিটি পরমাণুর হৃদয়ে ইতিবাচক চার্জযুক্ত কণা আবিষ্কার করার এক শতাব্দীরও বেশি পরে, পদার্থবিদরা এখনও প্রোটনকে পুরোপুরি বোঝার জন্য সংগ্রাম করছেন।

উচ্চ বিদ্যালয়ের পদার্থবিদ্যার শিক্ষকরা তাদের বৈশিষ্ট্যহীন বল হিসেবে বর্ণনা করেন যার প্রতিটি ইতিবাচক বৈদ্যুতিক চার্জের একটি ইউনিট রয়েছে - নেতিবাচক চার্জযুক্ত ইলেক্ট্রনগুলির জন্য নিখুঁত ফয়েল যা তাদের চারপাশে গুঞ্জন করে। কলেজের ছাত্ররা শিখেছে যে বলটি আসলে তিনটি প্রাথমিক কণার একটি বান্ডিল যাকে বলা হয় কোয়ার্ক। কিন্তু কয়েক দশকের গবেষণা একটি গভীর সত্য প্রকাশ করেছে, যা শব্দ বা ছবি দিয়ে সম্পূর্ণরূপে ক্যাপচার করা খুবই উদ্ভট।

"এটি সবচেয়ে জটিল জিনিস যা আপনি সম্ভবত কল্পনা করতে পারেন," বলেন মাইক উইলিয়ামস, ম্যাসাচুসেটস ইনস্টিটিউট অফ টেকনোলজির একজন পদার্থবিদ। "আসলে, আপনি কল্পনাও করতে পারবেন না যে এটি কতটা জটিল।"

প্রোটন হল একটি কোয়ান্টাম যান্ত্রিক বস্তু যা সম্ভাব্যতার একটি ধোঁয়া হিসাবে বিদ্যমান থাকে যতক্ষণ না একটি পরীক্ষা এটিকে একটি কংক্রিট রূপ নিতে বাধ্য করে। এবং গবেষকরা কীভাবে তাদের পরীক্ষা সেট করেছেন তার উপর নির্ভর করে এর ফর্মগুলি ব্যাপকভাবে পৃথক হয়। কণার অনেক মুখকে সংযুক্ত করা প্রজন্মের কাজ হয়েছে। "আমরা এই সিস্টেমটিকে সম্পূর্ণরূপে বুঝতে শুরু করছি," বলেন রিচার্ড মিলনার, MIT এ পারমাণবিক পদার্থবিদ।

সাধনা চলতে থাকে, প্রোটনের গোপনীয়তাগুলি বেরিয়ে আসতে থাকে। অতি সম্প্রতি, ক স্মারক তথ্য বিশ্লেষণ আগস্টে প্রকাশিত গবেষণায় দেখা গেছে যে প্রোটনে চার্ম কোয়ার্ক নামক কণার চিহ্ন রয়েছে যা প্রোটনের চেয়েও ভারী।

প্রোটন "মানুষের প্রতি বিনীত হয়েছে," উইলিয়ামস বলেছিলেন। "যতবার আপনি মনে করেন যে এটিতে আপনার একটি হ্যান্ডেল আছে, এটি আপনাকে কিছু কার্ভবল ছুড়ে দেয়।"

সম্প্রতি, মিলনার, জেফারসন ল্যাবে রল্ফ এন্টের সাথে, এমআইটি চলচ্চিত্র নির্মাতা ক্রিস বোয়েবেল এবং জো ম্যাকমাস্টার এবং অ্যানিমেটর জেমস লাপ্লান্টের সাথে একত্রে আকৃতির অ্যানিমেশনের একটি সিরিজে শত শত পরীক্ষার ফলাফলকে সংকলন করে এমন একটি অত্যাশ্চর্য প্লটকে রূপান্তরিত করতে যাত্রা করেন। - স্থানান্তরিত প্রোটন। আমরা তাদের অ্যানিমেশনগুলিকে এর গোপনীয়তা উন্মোচন করার জন্য আমাদের নিজস্ব প্রচেষ্টায় অন্তর্ভুক্ত করেছি।

ক্র্যাকিং প্রোটন খুলুন

প্রোটন যে বহুগুণ ধারণ করে তার প্রমাণ 1967 সালে স্ট্যানফোর্ড লিনিয়ার অ্যাক্সিলারেটর সেন্টার (SLAC) থেকে এসেছিল। আগের পরীক্ষায়, গবেষকরা এটিকে ইলেকট্রন দিয়ে ছুঁড়ে ফেলেছিলেন এবং তাদের বিলিয়ার্ড বলের মতো রিকোচেট অফ হতে দেখেছিলেন। কিন্তু SLAC ইলেকট্রনকে আরও জোর করে ছুঁড়তে পারে, এবং গবেষকরা দেখেছেন যে তারা ভিন্নভাবে ফিরে এসেছে। ইলেক্ট্রনগুলি প্রোটনকে ছিন্নভিন্ন করার জন্য যথেষ্ট শক্তভাবে আঘাত করছিল - একটি প্রক্রিয়া যাকে বলা হয় গভীর স্থিতিস্থাপক বিক্ষিপ্তকরণ - এবং কোয়ার্ক নামক প্রোটনের বিন্দু-সদৃশ শার্ডগুলি থেকে রিবাউন্ড করছিল। "এটাই প্রথম প্রমাণ যে কোয়ার্ক আসলেই আছে," বলেন জিয়াওচাও ঝেং, ভার্জিনিয়া বিশ্ববিদ্যালয়ের একজন পদার্থবিদ।

SLAC-এর আবিষ্কারের পর, যা 1990 সালে পদার্থবিজ্ঞানে নোবেল পুরস্কার জিতেছিল, প্রোটনের যাচাই-বাছাই আরও তীব্র হয়। পদার্থবিদরা আজ পর্যন্ত শত শত বিক্ষিপ্ত পরীক্ষা চালিয়েছেন। তারা বস্তুর অভ্যন্তরের বিভিন্ন দিক অনুমান করে কতটা জোর করে বোমাবর্ষণ করে এবং পরবর্তীতে তারা কোন বিক্ষিপ্ত কণা সংগ্রহ করে তা বেছে নেয়।

উচ্চ-শক্তি ইলেকট্রন ব্যবহার করে, পদার্থবিদরা লক্ষ্য প্রোটনের সূক্ষ্ম বৈশিষ্ট্যগুলি বের করতে পারেন। এইভাবে, ইলেক্ট্রন শক্তি একটি গভীর স্থিতিস্থাপক বিক্ষিপ্ত পরীক্ষার সর্বাধিক সমাধান ক্ষমতা সেট করে। আরও শক্তিশালী কণা সংঘর্ষ প্রোটনের একটি তীক্ষ্ণ দৃশ্য প্রদান করে।

উচ্চ-শক্তির সংঘর্ষকারীরাও সংঘর্ষের ফলাফলের বিস্তৃত অ্যারে তৈরি করে, গবেষকদের বিশ্লেষণ করার জন্য বহির্গামী ইলেকট্রনের বিভিন্ন উপসেট বেছে নিতে দেয়। এই নমনীয়তা কোয়ার্ক বোঝার চাবিকাঠি প্রমাণ করেছে, যা প্রোটনের অভ্যন্তরে বিভিন্ন পরিমাণ ভরবেগের সাথে যত্নশীল।

প্রতিটি বিক্ষিপ্ত ইলেক্ট্রনের শক্তি এবং গতিপথ পরিমাপ করে, গবেষকরা বলতে পারেন যে এটি প্রোটনের মোট ভরবেগের একটি বড় অংশ বহনকারী কোয়ার্ককে দেখেছে নাকি স্মিডজেন। বারবার সংঘর্ষের মাধ্যমে, তারা একটি আদমশুমারির মতো কিছু নিতে পারে — প্রোটনের ভরবেগ বেশিরভাগই কয়েকটি কোয়ার্কের মধ্যে আবদ্ধ কিনা বা অনেকের উপরে বিতরণ করা হয়েছে কিনা তা নির্ধারণ করে।

এমনকি SLAC এর প্রোটন-বিভাজন সংঘর্ষগুলি আজকের মান অনুসারে মৃদু ছিল। এই বিক্ষিপ্ত ঘটনাগুলিতে, ইলেক্ট্রনগুলি প্রায়শই এমনভাবে গুলি করে যে তারা প্রোটনের মোট ভরবেগের এক তৃতীয়াংশ বহনকারী কোয়ার্কগুলিতে বিধ্বস্ত হয়েছিল। অনুসন্ধানটি মারে গেল-ম্যান এবং জর্জ জুইগের একটি তত্ত্বের সাথে মিলেছে, যিনি 1964 সালে বলেছিলেন যে একটি প্রোটন তিনটি কোয়ার্ক নিয়ে গঠিত।

Gell-Mann এবং Zweig এর "কোয়ার্ক মডেল" প্রোটন কল্পনা করার একটি মার্জিত উপায় অবশেষ। এতে দুটি "আপ" কোয়ার্ক রয়েছে যার বৈদ্যুতিক চার্জ রয়েছে +2/3 প্রতিটি এবং একটি "ডাউন" কোয়ার্ক যার চার্জ −1/3, মোট প্রোটন চার্জের জন্য +1।

কিন্তু কোয়ার্ক মডেল একটি অতি সরলীকরণ যার গুরুতর ত্রুটি রয়েছে।

এটি ব্যর্থ হয়, উদাহরণস্বরূপ, যখন এটি একটি প্রোটনের ঘূর্ণনের ক্ষেত্রে আসে, একটি কোয়ান্টাম সম্পত্তি কৌণিক ভরবেগের সাথে সাদৃশ্যপূর্ণ। প্রোটনের অর্ধেক একক ঘূর্ণন রয়েছে, যেমন এর প্রতিটি আপ এবং ডাউন কোয়ার্কের মতো। পদার্থবিদরা প্রাথমিকভাবে অনুমান করেছিলেন যে - একটি গণনায় সাধারণ চার্জের গাণিতিক প্রতিধ্বনিত হয় - দুটি আপ কোয়ার্কের অর্ধ-একক বিয়োগ ডাউন কোয়ার্কের সামগ্রিকভাবে প্রোটনের জন্য অর্ধেক ইউনিটের সমান হবে। কিন্তু 1988 সালে, ইউরোপীয় Muon সহযোগিতা রিপোর্ট যে কোয়ার্ক স্পিনগুলি অর্ধেকেরও কম যোগ করে। একইভাবে, দুটি আপ কোয়ার্ক এবং একটি ডাউন কোয়ার্কের ভর প্রোটনের মোট ভরের প্রায় 1% নিয়ে গঠিত। এই ঘাটতিগুলি এমন এক বিন্দুর দিকে নিয়ে গেছে যা পদার্থবিদরা ইতিমধ্যেই উপলব্ধি করতে আসছেন: প্রোটন তিনটি কোয়ার্কের চেয়ে অনেক বেশি।

তিন কোয়ার্কের চেয়ে অনেক বেশি

হ্যাড্রন-ইলেক্ট্রন রিং অ্যাক্সিলারেটর (HERA), যা 1992 থেকে 2007 সাল পর্যন্ত জার্মানির হামবুর্গে কাজ করেছিল, SLAC-এর তুলনায় প্রায় এক হাজার গুণ বেশি জোরে ইলেকট্রনকে প্রোটনে পরিণত করেছিল। HERA পরীক্ষায়, পদার্থবিদরা এমন ইলেকট্রন নির্বাচন করতে পারেন যেগুলি অত্যন্ত কম-বেগের কোয়ার্ক থেকে বাউন্স হয়ে গিয়েছিল, যার মধ্যে প্রোটনের মোট ভরবেগের 0.005% কম বহন করে। এবং তাদের সনাক্ত করুন যে তারা করেছে: HERA এর ইলেকট্রনগুলি নিম্ন-মোমেন্টাম কোয়ার্ক এবং তাদের অ্যান্টিম্যাটার প্রতিরূপ, অ্যান্টিকোয়ার্কগুলির একটি মেলস্ট্রোম থেকে রিবাউন্ড হয়েছে।

ফলাফলগুলি একটি পরিশীলিত এবং বিদেশী তত্ত্ব নিশ্চিত করেছে যা ততক্ষণে জেল-ম্যান এবং জুইগের কোয়ার্ক মডেলকে প্রতিস্থাপন করেছিল। 1970-এর দশকে বিকশিত, এটি কোয়ার্কের মধ্যে কাজ করে "শক্তিশালী বলের" একটি কোয়ান্টাম তত্ত্ব। তত্ত্বটি কোয়ার্কগুলিকে গ্লুয়ন নামক বল বহনকারী কণা দ্বারা একত্রিত করা হিসাবে বর্ণনা করে। প্রতিটি কোয়ার্ক এবং প্রতিটি গ্লুওনে তিনটি ধরণের "রঙ" চার্জের একটি থাকে, লাল, সবুজ এবং নীল লেবেলযুক্ত; এই রঙ-চার্জড কণাগুলো স্বাভাবিকভাবেই একে অপরের সাথে টানতে থাকে এবং একটি গ্রুপ তৈরি করে - যেমন একটি প্রোটন - যার রং একটি নিরপেক্ষ সাদা পর্যন্ত যোগ করে। রঙিন তত্ত্বটি কোয়ান্টাম ক্রোমোডাইনামিক্স বা QCD নামে পরিচিত হয়।

কিউসিডি অনুসারে, গ্লুয়ন শক্তির ক্ষণিকের স্পাইক নিতে পারে। এই শক্তির সাহায্যে, একটি গ্লুয়ন একটি কোয়ার্ক এবং একটি অ্যান্টিকোয়ার্ক - প্রতিটিতে একটি ক্ষুদ্র গতি বহন করে - জোড়াটি ধ্বংস এবং অদৃশ্য হয়ে যাওয়ার আগে। ছোট শক্তির স্পাইকগুলি কম গতিবেগের সাথে কোয়ার্ক জোড়া তৈরি করে, যা ছোট জীবন যাপন করে। এটি গ্লুয়ন, কোয়ার্ক এবং অ্যান্টিকোয়ার্কের এই "সমুদ্র" যা HERA, নিম্ন গতির কণাগুলির প্রতি তার বৃহত্তর সংবেদনশীলতার সাথে, নিজেই সনাক্ত করেছে।

HERA আরও শক্তিশালী সংঘর্ষে প্রোটন দেখতে কেমন হবে তার ইঙ্গিতও তুলেছিল। যেহেতু পদার্থবিদরা নিম্ন গতির কোয়ার্কের সন্ধানের জন্য HERA-কে সামঞ্জস্য করেছেন, এই কোয়ার্কগুলি - যা গ্লুয়ন থেকে আসে - বৃহত্তর এবং বৃহত্তর সংখ্যায় প্রদর্শিত হয়েছিল। ফলাফলগুলি পরামর্শ দিয়েছে যে এমনকি উচ্চ-শক্তির সংঘর্ষে, প্রোটন প্রায় সম্পূর্ণ গ্লুয়ন দ্বারা গঠিত মেঘ হিসাবে উপস্থিত হবে।

গ্লুওন ড্যান্ডেলিয়ন ঠিক যা QCD ভবিষ্যদ্বাণী করে। "HERA ডেটা সরাসরি পরীক্ষামূলক প্রমাণ যে QCD প্রকৃতিকে বর্ণনা করে," মিলনার বলেছিলেন।

কিন্তু তরুণ তত্ত্বের বিজয় একটি তিক্ত বড়ি নিয়ে এসেছিল: QCD যখন HERA-এর চরম সংঘর্ষের দ্বারা প্রকাশিত স্বল্পস্থায়ী কোয়ার্ক এবং গ্লুয়নের নৃত্যকে সুন্দরভাবে বর্ণনা করেছে, তখন SLAC-এর মৃদু বোমাবর্ষণে দেখা তিনটি দীর্ঘস্থায়ী কোয়ার্ক বোঝার জন্য তত্ত্বটি অকেজো।

QCD এর ভবিষ্যদ্বাণীগুলি তখনই বোঝা সহজ হয় যখন শক্তিশালী বল তুলনামূলকভাবে দুর্বল হয়। এবং শক্তিশালী বল তখনই দুর্বল হয়ে পড়ে যখন কোয়ার্কগুলি খুব কাছাকাছি থাকে, কারণ তারা স্বল্পস্থায়ী কোয়ার্ক-অ্যান্টিকুয়ার্ক জোড়ায় থাকে। ফ্রাঙ্ক উইলকজেক, ডেভিড গ্রস এবং ডেভিড পলিৎজার 1973 সালে QCD-এর এই সংজ্ঞায়িত বৈশিষ্ট্যটি চিহ্নিত করেছিলেন, 31 বছর পরে এটির জন্য নোবেল পুরস্কার জিতেছিলেন।

কিন্তু SLAC-এর মতো মৃদু সংঘর্ষের জন্য, যেখানে প্রোটন তিনটি কোয়ার্কের মতো কাজ করে যা পারস্পরিকভাবে তাদের দূরত্ব বজায় রাখে, এই কোয়ার্কগুলি একে অপরকে যথেষ্ট শক্তিশালীভাবে টেনে নেয় যে QCD গণনা অসম্ভব হয়ে পড়ে। এইভাবে, প্রোটনের থ্রি-কোয়ার্কের দৃষ্টিভঙ্গিকে আরও রহস্যময় করার কাজটি মূলত পরীক্ষাবিদদের হাতে পড়েছে। (গবেষকরা যারা "ডিজিটাল পরীক্ষা" চালান, যেখানে QCD ভবিষ্যদ্বাণীগুলি সুপার কম্পিউটারে সিমুলেট করা হয়, তারাও তৈরি করেছে মূল অবদান.) এবং এই কম-রেজোলিউশনের ছবিতেই পদার্থবিদরা বিস্ময় খুঁজে চলেছেন।

একটি কমনীয় নতুন দৃশ্য

সম্প্রতি একটি দলের নেতৃত্বে ড জুয়ান রোজো নেদারল্যান্ডসের ন্যাশনাল ইনস্টিটিউট ফর সাবটমিক ফিজিক্স এবং ভিইউ ইউনিভার্সিটি আমস্টারডাম গত 5,000 বছরে নেওয়া 50টিরও বেশি প্রোটন স্ন্যাপশট বিশ্লেষণ করেছে, মেশিন লার্নিং ব্যবহার করে প্রোটনের অভ্যন্তরে কোয়ার্ক এবং গ্লুনের গতি অনুমান করার জন্য এমনভাবে তাত্ত্বিক অনুমানকে পাশ কাটিয়ে যায়।

 নতুন যাচাই-বাছাই চিত্রগুলিতে একটি পটভূমির অস্পষ্টতা তুলেছে যা অতীতের গবেষকদের থেকে পালিয়ে গিয়েছিল। তুলনামূলকভাবে নরম সংঘর্ষে প্রোটনকে সবেমাত্র ভেঙে ফেলা হয়, বেশিরভাগ ভরবেগ স্বাভাবিক তিনটি কোয়ার্কের মধ্যে আটকে থাকে: দুটি আপ এবং একটি নিচে। কিন্তু স্বল্প পরিমাণে ভরবেগ একটি "কবজ" কোয়ার্ক এবং মনোমুগ্ধকর অ্যান্টিকোয়ার্ক থেকে এসেছে - বিশাল প্রাথমিক কণা যা প্রতিটি প্রোটনকে এক-তৃতীয়াংশেরও বেশি ওজন করে।

প্রোটনের "কোয়ার্ক সাগর" দৃশ্যে স্বল্পস্থায়ী আকর্ষণগুলি প্রায়শই দেখা যায় (গ্লুয়নগুলি পর্যাপ্ত শক্তি থাকলে ছয়টি ভিন্ন কোয়ার্কের যে কোনও প্রকারে বিভক্ত হতে পারে)। কিন্তু রোজো এবং সহকর্মীদের থেকে পাওয়া ফলাফলগুলি পরামর্শ দেয় যে আকর্ষণগুলির আরও স্থায়ী উপস্থিতি রয়েছে, যা তাদের মৃদু সংঘর্ষে সনাক্তযোগ্য করে তোলে। এই সংঘর্ষে, প্রোটন একাধিক অবস্থার কোয়ান্টাম মিশ্রণ বা সুপারপজিশন হিসাবে উপস্থিত হয়: একটি ইলেক্ট্রন সাধারণত তিনটি লাইটওয়েট কোয়ার্কের মুখোমুখি হয়। কিন্তু এটি মাঝে মাঝে পাঁচটি কোয়ার্কের একটি বিরল "অণু"র সম্মুখীন হবে, যেমন একটি আপ, ডাউন এবং চার্ম কোয়ার্ক একদিকে গোষ্ঠীবদ্ধ এবং অপরদিকে একটি আপ কোয়ার্ক এবং চার্ম অ্যান্টিকোয়ার্ক।

প্রোটনের মেকআপ সম্পর্কে এই ধরনের সূক্ষ্ম বিবরণ ফলস্বরূপ প্রমাণিত হতে পারে। লার্জ হ্যাড্রন কোলাইডারে, পদার্থবিদরা উচ্চ-গতির প্রোটনকে একত্রিত করে নতুন প্রাথমিক কণার সন্ধান করে এবং কী বের হয় তা দেখে; ফলাফলগুলি বোঝার জন্য, গবেষকদের জানতে হবে যে একটি প্রোটনে কী আছে শুরু করার জন্য। দৈত্যাকার কবজ কোয়ার্কের মাঝে মাঝে আবির্ভাব হবে মতভেদ বন্ধ নিক্ষেপ আরো বহিরাগত কণা তৈরীর.

এবং যখন মহাজাগতিক রশ্মি নামক প্রোটনগুলি মহাকাশ থেকে এখানে ছুটে আসে এবং পৃথিবীর বায়ুমণ্ডলে প্রোটনে ধাক্কা দেয়, তখন সঠিক মুহুর্তে আকর্ষণীয় কোয়ার্কগুলি পৃথিবীকে বর্ষণ করবে। অতিরিক্ত শক্তিসম্পন্ন নিউট্রিনো, গবেষকরা 2021 সালে গণনা করেছেন। এটি পর্যবেক্ষকদের বিভ্রান্ত করতে পারে অনুসন্ধানের মহাজাগতিক জুড়ে থেকে আসা উচ্চ-শক্তি নিউট্রিনোর জন্য।

রোজোর সহযোগিতায় চার্ম কোয়ার্ক এবং অ্যান্টিকোয়ার্কের মধ্যে ভারসাম্যহীনতা অনুসন্ধান করে প্রোটনের অন্বেষণ চালিয়ে যাওয়ার পরিকল্পনা রয়েছে। এবং ভারী উপাদান, যেমন শীর্ষ কোয়ার্ক, এমনকি বিরল এবং সনাক্ত করা কঠিন উপস্থিতি তৈরি করতে পারে।

পরবর্তী প্রজন্মের পরীক্ষাগুলি আরও অজানা বৈশিষ্ট্যগুলি সন্ধান করবে। ব্রুকহেভেন ন্যাশনাল ল্যাবরেটরির পদার্থবিদরা 2030-এর দশকে ইলেকট্রন-আয়ন কোলাইডারকে ফায়ার করার এবং HERA যেখান থেকে ছেড়েছিল সেখানেই তুলে নেওয়ার আশা করছেন, উচ্চ-রেজোলিউশনের স্ন্যাপশটগুলি নিয়ে যা প্রোটনের প্রথম 3D পুনর্গঠনকে সক্ষম করবে৷ EIC এছাড়াও স্পিনিং ইলেক্ট্রন ব্যবহার করবে অভ্যন্তরীণ কোয়ার্ক এবং গ্লুনের স্পিনগুলির বিস্তারিত মানচিত্র তৈরি করতে, ঠিক যেমন SLAC এবং HERA তাদের গতিবেগ ম্যাপ করেছে। এটি গবেষকদের শেষ পর্যন্ত প্রোটনের ঘূর্ণনের উৎপত্তি খুঁজে বের করতে এবং আমাদের দৈনন্দিন জগতের বেশিরভাগ অংশ তৈরি করে এমন বিস্ময়কর কণা সম্পর্কে অন্যান্য মৌলিক প্রশ্নগুলির সমাধান করতে সাহায্য করবে।