प्रोटॉन के अंदर, 'सबसे जटिल चीज जिसकी आप संभवतः कल्पना कर सकते हैं'

अर्नेस्ट रदरफोर्ड द्वारा प्रत्येक परमाणु के केंद्र में धनावेशित कण की खोज के एक सदी से भी अधिक समय बाद, भौतिक विज्ञानी अभी भी प्रोटॉन को पूरी तरह से समझने के लिए संघर्ष कर रहे हैं।

हाई स्कूल के भौतिकी के शिक्षक उन्हें फीचर रहित गेंदों के रूप में वर्णित करते हैं, जिनमें से प्रत्येक में एक सकारात्मक विद्युत आवेश होता है - नकारात्मक रूप से आवेशित इलेक्ट्रॉनों के लिए एकदम सही फ़ॉइल जो उनके चारों ओर गूंजते हैं। कॉलेज के छात्र सीखते हैं कि गेंद वास्तव में क्वार्क नामक तीन प्राथमिक कणों का एक बंडल है। लेकिन दशकों के शोध ने एक गहरी सच्चाई का खुलासा किया है, जो कि शब्दों या छवियों के साथ पूरी तरह से पकड़ने के लिए बहुत ही विचित्र है।

"यह सबसे जटिल चीज है जिसकी आप कल्पना कर सकते हैं," ने कहा माइक विलियम्समैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के भौतिक विज्ञानी। "वास्तव में, आप कल्पना भी नहीं कर सकते कि यह कितना जटिल है।"

प्रोटॉन एक क्वांटम यांत्रिक वस्तु है जो संभावनाओं की धुंध के रूप में मौजूद है जब तक कि कोई प्रयोग इसे ठोस रूप लेने के लिए मजबूर नहीं करता है। और इसके रूप इस बात पर निर्भर करते हैं कि शोधकर्ताओं ने अपने प्रयोग को कैसे स्थापित किया है। कण के अनेक चेहरों को जोड़ना पीढ़ियों का काम रहा है। "हम इस प्रणाली को पूरी तरह से समझना शुरू कर रहे हैं," ने कहा रिचर्ड मिलनर, एमआईटी में एक परमाणु भौतिक विज्ञानी।

जैसे-जैसे खोज जारी रहती है, प्रोटॉन के रहस्य ढलते रहते हैं। हाल ही में, ए स्मारकीय डेटा विश्लेषण अगस्त में प्रकाशित पाया गया कि प्रोटॉन में आकर्षण क्वार्क नामक कणों के निशान होते हैं जो प्रोटॉन से ही भारी होते हैं।

प्रोटॉन "मनुष्यों के लिए विनम्र रहा है," विलियम्स ने कहा। "हर बार जब आपको लगता है कि आपके पास इस पर एक तरह का हैंडल है, तो यह आपको कुछ कर्वबॉल फेंकता है।"

हाल ही में, मिलनर ने जेफरसन लैब में रॉल्फ एंट, एमआईटी फिल्म निर्माताओं क्रिस बोएबेल और जो मैकमास्टर, और एनिमेटर जेम्स लाप्लांट के साथ मिलकर रहस्यमय भूखंडों के एक सेट को बदलने के लिए तैयार किया, जो आकार के एनिमेशन की एक श्रृंखला में सैकड़ों प्रयोगों के परिणामों को संकलित करता है। -स्थानांतरित प्रोटॉन। हमने इसके रहस्यों को उजागर करने के अपने प्रयास में उनके एनिमेशन को शामिल किया है।

क्रैकिंग ओपन द प्रोटोन

1967 में स्टैनफोर्ड लीनियर एक्सेलेरेटर सेंटर (SLAC) से प्रोटॉन में मल्टीट्यूड होने का प्रमाण मिला। पहले के प्रयोगों में, शोधकर्ताओं ने इसे इलेक्ट्रॉनों के साथ फेंका था और उन्हें बिलियर्ड गेंदों की तरह रिकोषेट से दूर देखा था। लेकिन एसएलएसी इलेक्ट्रॉनों को और अधिक मजबूती से फेंक सकता है, और शोधकर्ताओं ने देखा कि वे अलग तरह से वापस उछालते हैं। इलेक्ट्रॉन प्रोटॉन को इतनी जोर से मार रहे थे कि वह इसे चकनाचूर कर सके - एक प्रक्रिया जिसे डीप इनेलैस्टिक स्कैटरिंग कहा जाता है - और क्वार्क नामक प्रोटॉन के बिंदु-जैसे शार्क से रिबाउंडिंग कर रहे थे। "यह पहला सबूत था कि क्वार्क वास्तव में मौजूद हैं," ने कहा ज़ियाओकाओ झेंग, वर्जीनिया विश्वविद्यालय में एक भौतिक विज्ञानी।

एसएलएसी की खोज के बाद, जिसने 1990 में भौतिकी में नोबेल पुरस्कार जीता, प्रोटॉन की जांच तेज हो गई। भौतिकविदों ने अब तक सैकड़ों प्रकीर्णन प्रयोग किए हैं। वे वस्तु के इंटीरियर के विभिन्न पहलुओं का अनुमान लगाते हैं कि वे उस पर कितनी जोर से बमबारी करते हैं और यह चुनकर कि वे बाद में कौन से बिखरे हुए कणों को इकट्ठा करते हैं।

उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉनों का उपयोग करके, भौतिक विज्ञानी लक्ष्य प्रोटॉन की बारीक विशेषताओं का पता लगा सकते हैं। इस प्रकार, इलेक्ट्रॉन ऊर्जा एक गहरे अकुशल प्रकीर्णन प्रयोग की अधिकतम विभेदन शक्ति निर्धारित करती है। अधिक शक्तिशाली कण कोलाइडर प्रोटॉन का एक तेज दृश्य प्रस्तुत करते हैं।

उच्च-ऊर्जा कोलाइडर भी टकराव के परिणामों की एक विस्तृत श्रृंखला का उत्पादन करते हैं, जिससे शोधकर्ताओं को विश्लेषण करने के लिए आउटगोइंग इलेक्ट्रॉनों के विभिन्न सबसेट का चयन करने की अनुमति मिलती है। यह लचीलापन क्वार्क को समझने के लिए महत्वपूर्ण साबित हुआ है, जो विभिन्न मात्रा में गति के साथ प्रोटॉन के अंदर की देखभाल करता है।

प्रत्येक बिखरे हुए इलेक्ट्रॉन की ऊर्जा और प्रक्षेपवक्र को मापकर, शोधकर्ता बता सकते हैं कि क्या उसने प्रोटॉन की कुल गति का एक बड़ा हिस्सा या सिर्फ एक स्मिडजेन ले जाने वाले क्वार्क को देखा है। बार-बार टकराव के माध्यम से, वे एक जनगणना की तरह कुछ ले सकते हैं - यह निर्धारित करना कि क्या प्रोटॉन की गति ज्यादातर कुछ क्वार्क में बंधी हुई है, या कई में वितरित की गई है।

यहां तक ​​कि एसएलएसी के प्रोटॉन-विभाजन टकराव भी आज के मानकों से कोमल थे। उन बिखरने वाली घटनाओं में, इलेक्ट्रॉनों को अक्सर इस तरह से गोली मार दी जाती है कि वे प्रोटॉन की कुल गति का एक तिहाई ले जाने वाले क्वार्क में दुर्घटनाग्रस्त हो गए थे। यह खोज मरे गेल-मान और जॉर्ज ज़्विग के एक सिद्धांत से मेल खाती है, जिन्होंने 1964 में कहा था कि एक प्रोटॉन में तीन क्वार्क होते हैं।

गेल-मान और ज़्विग का "क्वार्क मॉडल" प्रोटॉन की कल्पना करने का एक सुंदर तरीका है। इसमें +2 के कुल प्रोटॉन चार्ज के लिए दो "अप" क्वार्क हैं जिनमें से प्रत्येक +3/1 के इलेक्ट्रिक चार्ज और -3/1 के चार्ज के साथ एक "डाउन" क्वार्क है।

लेकिन क्वार्क मॉडल एक ओवरसिम्प्लीफिकेशन है जिसमें गंभीर कमियां हैं।

यह विफल हो जाता है, उदाहरण के लिए, जब प्रोटॉन की स्पिन की बात आती है, तो क्वांटम संपत्ति कोणीय गति के समान होती है। प्रोटॉन में स्पिन की आधी इकाई होती है, जैसा कि इसके प्रत्येक अप और डाउन क्वार्क में होता है। भौतिकविदों ने शुरू में माना था कि - साधारण चार्ज अंकगणित की प्रतिध्वनि की गणना में - दो अप क्वार्क की आधी-इकाइयाँ घटाकर डाउन क्वार्क की पूरी प्रोटॉन के लिए आधी इकाई के बराबर होनी चाहिए। लेकिन 1988 में, यूरोपीय मुऑन सहयोग की रिपोर्ट कि क्वार्क स्पिन का योग आधे से भी कम है। इसी तरह, दो अप क्वार्क और एक डाउन क्वार्क के द्रव्यमान में प्रोटॉन के कुल द्रव्यमान का लगभग 1% ही होता है। इन कमियों ने घर को एक बिंदु भौतिक विज्ञानी पहले से ही सराहना करने के लिए आ रहे थे: प्रोटॉन तीन क्वार्क से कहीं अधिक है।

तीन क्वार्क से बहुत अधिक

1992 से 2007 तक जर्मनी के हैम्बर्ग में संचालित हैड्रॉन-इलेक्ट्रॉन रिंग एक्सेलेरेटर (HERA) ने इलेक्ट्रॉनों को SLAC की तुलना में लगभग एक हजार गुना अधिक मजबूती से प्रोटॉन में पटक दिया। HERA प्रयोगों में, भौतिक विज्ञानी ऐसे इलेक्ट्रॉनों का चयन कर सकते थे, जो अत्यंत निम्न-गति वाले क्वार्कों से उछले थे, जिनमें प्रोटॉन के कुल संवेग का 0.005% जितना कम वहन करना शामिल था। और उनका पता लगाएं जो उन्होंने किया था: HERA के इलेक्ट्रॉनों ने कम गति वाले क्वार्क और उनके एंटीमैटर समकक्षों, एंटीक्वार्क के एक माइलस्ट्रॉम से रिबाउंड किया।

परिणामों ने एक परिष्कृत और विचित्र सिद्धांत की पुष्टि की जिसने तब तक गेल-मान और ज़्विग के क्वार्क मॉडल को बदल दिया था। 1970 के दशक में विकसित, यह "मजबूत बल" का एक क्वांटम सिद्धांत था जो क्वार्क के बीच कार्य करता है। सिद्धांत क्वार्कों को ग्लून्स नामक बल-वाहक कणों द्वारा एक साथ रस्सी के रूप में वर्णित करता है। प्रत्येक क्वार्क और प्रत्येक ग्लूऑन में तीन प्रकार के "रंग" चार्ज होते हैं, जिन्हें लाल, हरा और नीला लेबल किया जाता है; ये रंग-आवेशित कण स्वाभाविक रूप से एक-दूसरे पर खिंचते हैं और एक समूह बनाते हैं - जैसे कि एक प्रोटॉन - जिनके रंग एक तटस्थ सफेद रंग में जुड़ जाते हैं। रंगीन सिद्धांत को क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स, या क्यूसीडी के रूप में जाना जाने लगा।

QCD के अनुसार, ग्लून्स ऊर्जा के क्षणिक स्पाइक्स को उठा सकते हैं। इस ऊर्जा के साथ, एक ग्लूऑन एक क्वार्क और एक एंटीक्वार्क में विभाजित हो जाता है - प्रत्येक में एक छोटी सी गति होती है - इससे पहले कि जोड़ी नष्ट हो जाए और गायब हो जाए। छोटे ऊर्जा स्पाइक्स कम गति वाले क्वार्क जोड़े उत्पन्न करते हैं, जो कम जीवन जीते हैं। यह ग्लून्स, क्वार्क और एंटीक्वार्क का यह "समुद्र" है जिसे HERA ने कम गति वाले कणों के प्रति अपनी अधिक संवेदनशीलता के साथ पहली बार पता लगाया।

हेरा ने यह भी संकेत दिया कि अधिक शक्तिशाली कोलाइडर में प्रोटॉन कैसा दिखेगा। जैसा कि भौतिकविदों ने कम-गति वाले क्वार्क की तलाश के लिए HERA को समायोजित किया, ये क्वार्क - जो ग्लून्स से आते हैं - अधिक से अधिक संख्या में दिखाई दिए। परिणामों ने सुझाव दिया कि उच्च-ऊर्जा टकरावों में भी, प्रोटॉन लगभग पूरी तरह से ग्लून्स से बने बादल के रूप में दिखाई देगा।

ग्लूऑन डंडेलियन ठीक वही है जो QCD भविष्यवाणी करता है। "HERA डेटा प्रत्यक्ष प्रायोगिक प्रमाण है कि QCD प्रकृति का वर्णन करता है," मिलनर ने कहा।

लेकिन युवा सिद्धांत की जीत एक कड़वी गोली के साथ आई: जबकि क्यूसीडी ने हेरा के चरम टकराव से प्रकट अल्पकालिक क्वार्क और ग्लून्स के नृत्य का खूबसूरती से वर्णन किया, एसएलएसी की कोमल बमबारी में देखे गए तीन लंबे समय तक चलने वाले क्वार्क को समझने के लिए सिद्धांत बेकार है।

QCD की भविष्यवाणियों को तभी समझना आसान होता है जब मजबूत बल अपेक्षाकृत कमजोर होता है। और मजबूत बल केवल तभी कमजोर होता है जब क्वार्क एक साथ बेहद करीब होते हैं, क्योंकि वे अल्पकालिक क्वार्क-एंटीक्वार्क जोड़े में होते हैं। फ्रैंक विल्ज़ेक, डेविड ग्रॉस और डेविड पोलित्ज़र ने 1973 में QCD की इस परिभाषित विशेषता की पहचान की, इसके लिए 31 साल बाद नोबेल पुरस्कार जीता।

लेकिन एसएलएसी जैसे जेंटलर टकरावों के लिए, जहां प्रोटॉन तीन क्वार्क की तरह काम करता है जो पारस्परिक रूप से अपनी दूरी बनाए रखते हैं, ये क्वार्क एक-दूसरे को इतनी मजबूती से खींचते हैं कि क्यूसीडी की गणना असंभव हो जाती है। इस प्रकार, प्रोटॉन के तीन-क्वार्क दृश्य को और अधिक रहस्यपूर्ण बनाने का कार्य बड़े पैमाने पर प्रयोगवादियों के लिए गिर गया है। (शोधकर्ता जो "डिजिटल प्रयोग" चलाते हैं, जिसमें सुपर कंप्यूटर पर क्यूसीडी भविष्यवाणियों का अनुकरण किया जाता है, ने भी बनाया है महत्वपूर्ण योगदान।) और यह इस कम-रिज़ॉल्यूशन वाली तस्वीर में है कि भौतिक विज्ञानी आश्चर्य खोजते रहते हैं।

एक आकर्षक नया दृश्य

हाल ही में, के नेतृत्व में एक टीम जुआन रोजो नीदरलैंड्स में नेशनल इंस्टीट्यूट फॉर सबटॉमिक फिजिक्स और वीयू यूनिवर्सिटी एम्स्टर्डम ने पिछले 5,000 वर्षों में लिए गए 50 से अधिक प्रोटॉन स्नैपशॉट का विश्लेषण किया, जो मशीन लर्निंग का उपयोग करके प्रोटॉन के अंदर क्वार्क और ग्लून्स की गति का अनुमान लगाने के लिए सैद्धांतिक अनुमान को दूर करता है।

 नई जांच ने उन छवियों में पृष्ठभूमि धुंधली उठाई जो पिछले शोधकर्ताओं से बच गए थे। अपेक्षाकृत नरम टक्करों में केवल प्रोटॉन के खुले को तोड़ते हुए, अधिकांश गति सामान्य तीन क्वार्क में बंद हो गई थी: दो अप और डाउन। लेकिन एक "आकर्षण" क्वार्क और आकर्षण एंटीक्वार्क - विशाल प्राथमिक कणों से एक छोटी मात्रा में गति आती है, जो प्रत्येक एक तिहाई से अधिक पूरे प्रोटॉन से अधिक होती है।

अल्पकालिक आकर्षण अक्सर प्रोटॉन के "क्वार्क समुद्र" दृश्य में दिखाई देते हैं (ग्लूऑन छह अलग-अलग क्वार्क प्रकारों में विभाजित हो सकते हैं यदि उनके पास पर्याप्त ऊर्जा हो)। लेकिन रोजो और उनके सहयोगियों के नतीजे बताते हैं कि आकर्षण की अधिक स्थायी उपस्थिति होती है, जिससे उन्हें जेंटलर टकराव में पता लगाया जा सकता है। इन टकरावों में, प्रोटॉन कई राज्यों के क्वांटम मिश्रण या सुपरपोजिशन के रूप में प्रकट होता है: एक इलेक्ट्रॉन आमतौर पर तीन हल्के क्वार्क का सामना करता है। लेकिन यह कभी-कभी पांच क्वार्क के एक दुर्लभ "अणु" का सामना करेगा, जैसे कि एक तरफ ऊपर, नीचे और आकर्षण क्वार्क और दूसरी तरफ एक अप क्वार्क और आकर्षण एंटीक्वार्क।

प्रोटॉन के श्रृंगार के बारे में इस तरह के सूक्ष्म विवरण परिणामी साबित हो सकते हैं। लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर में, भौतिक विज्ञानी उच्च-गति वाले प्रोटॉनों को आपस में टकराकर और जो कुछ निकलता है उसे देखकर नए प्राथमिक कणों की खोज करते हैं; परिणामों को समझने के लिए, शोधकर्ताओं को यह जानना होगा कि एक प्रोटॉन में क्या शुरू होता है। विशाल आकर्षण क्वार्क की सामयिक उपस्थिति बाधाओं को दूर फेंको अधिक विदेशी कण बनाने के लिए।

और जब ब्रह्मांडीय किरणें कहे जाने वाले प्रोटॉन पृथ्वी के वायुमंडल में बाहरी अंतरिक्ष से यहां से टकराते हैं और प्रोटॉन में टकराते हैं, तो सही समय पर आने वाले आकर्षण क्वार्क पृथ्वी पर बरसेंगे अतिरिक्त-ऊर्जावान न्यूट्रिनो, शोधकर्ताओं ने 2021 में गणना की। ये पर्यवेक्षकों को भ्रमित कर सकते हैं खोज ब्रह्मांड से आने वाले उच्च-ऊर्जा न्यूट्रिनो के लिए।

रोजो के सहयोग की योजना आकर्षण क्वार्क और एंटीक्वार्क के बीच असंतुलन की खोज करके प्रोटॉन की खोज जारी रखने की है। और भारी घटक, जैसे कि शीर्ष क्वार्क, और भी दुर्लभ और कठिन-से-पता लगाने की उपस्थिति बना सकते हैं।

अगली पीढ़ी के प्रयोग और अधिक अज्ञात विशेषताओं की तलाश करेंगे। ब्रुकहेवन नेशनल लेबोरेटरी के भौतिकविदों को उम्मीद है कि 2030 के दशक में इलेक्ट्रॉन-आयन कोलाइडर को आग लगा दी जाएगी और जहां हेरा ने छोड़ा था, वहां उच्च-रिज़ॉल्यूशन स्नैपशॉट लेना जो प्रोटॉन के पहले 3 डी पुनर्निर्माण को सक्षम करेगा। ईआईसी आंतरिक क्वार्क और ग्लून्स के स्पिन के विस्तृत नक्शे बनाने के लिए कताई इलेक्ट्रॉनों का भी उपयोग करेगा, जैसे एसएलएसी और हेरा ने अपनी गति को मैप किया था। इससे शोधकर्ताओं को अंततः प्रोटॉन के स्पिन की उत्पत्ति का पता लगाने में मदद मिलनी चाहिए, और हमारी रोजमर्रा की दुनिया को बनाने वाले चकरा देने वाले कण के बारे में अन्य मूलभूत प्रश्नों को संबोधित करना चाहिए।