پروٹون کے اندر، 'سب سے پیچیدہ چیز جس کا آپ تصور کر سکتے ہیں'

ارنسٹ ردرفورڈ کی طرف سے ہر ایٹم کے قلب میں مثبت چارج شدہ ذرہ دریافت کرنے کے ایک صدی سے زیادہ کے بعد، طبیعیات دان اب بھی پروٹون کو مکمل طور پر سمجھنے کے لیے جدوجہد کر رہے ہیں۔

ہائی اسکول کے طبیعیات کے اساتذہ ان کو ایک ایک یونٹ کے ساتھ فیچر لیس گیندوں کے طور پر بیان کرتے ہیں جن میں سے ہر ایک مثبت الیکٹرک چارج ہوتا ہے - منفی چارج شدہ الیکٹرانوں کے لیے کامل فوائل جو ان کے ارد گرد گونجتے ہیں۔ کالج کے طلباء سیکھتے ہیں کہ گیند دراصل تین ابتدائی ذرات کا بنڈل ہے جسے کوارک کہتے ہیں۔ لیکن کئی دہائیوں کی تحقیق نے ایک گہری سچائی کا انکشاف کیا ہے، جو الفاظ یا تصاویر کے ساتھ مکمل طور پر گرفت میں آنے کے لیے بہت عجیب ہے۔

"یہ سب سے پیچیدہ چیز ہے جس کا آپ تصور کر سکتے ہیں،" کہا مائیک ولیمزمیساچوسٹس انسٹی ٹیوٹ آف ٹیکنالوجی کے ماہر طبیعیات۔ "حقیقت میں، آپ سوچ بھی نہیں سکتے کہ یہ کتنا پیچیدہ ہے۔"

پروٹون ایک کوانٹم مکینیکل شے ہے جو اس وقت تک موجود رہتی ہے جب تک کہ کوئی تجربہ اسے ٹھوس شکل اختیار کرنے پر مجبور نہ کرے۔ اور اس کی شکلیں اس بات پر منحصر ہوتی ہیں کہ محققین نے اپنا تجربہ کیسے ترتیب دیا ہے۔ ذرہ کے بہت سے چہروں کو جوڑنا نسلوں کا کام رہا ہے۔ "ہم ایک طرح سے اس نظام کو مکمل طور پر سمجھنا شروع کر رہے ہیں،" کہا رچرڈ ملنر، ایم آئی ٹی میں ایک جوہری طبیعیات دان۔

جیسا کہ تعاقب جاری ہے، پروٹون کے راز کھلتے رہتے ہیں۔ حال ہی میں، ایک یادگار ڈیٹا تجزیہ اگست میں شائع ہونے والے پتا چلا کہ پروٹون میں ایسے ذرات کے نشانات ہیں جنہیں چارم کوارک کہتے ہیں جو خود پروٹون سے زیادہ بھاری ہوتے ہیں۔

ولیمز نے کہا کہ پروٹون "انسانوں کے لیے عاجز رہا ہے۔ "جب بھی آپ کو لگتا ہے کہ آپ کا اس پر کوئی ہینڈل ہے، یہ آپ کو کچھ کریو بالز پھینک دیتا ہے۔"

حال ہی میں، ملنر، جیفرسن لیب میں رالف اینٹ، ایم آئی ٹی کے فلم ساز کرس بوئبل اور جو میک ماسٹر، اور اینیمیٹر جیمز لاپلانٹے کے ساتھ مل کر، آرکین پلاٹوں کے ایک سیٹ کو تبدیل کرنے کے لیے نکلے جو سینکڑوں تجربات کے نتائج کو شکل کی متحرک تصاویر کی ایک سیریز میں مرتب کرتے ہیں۔ - پروٹون کو تبدیل کرنا۔ ہم نے ان کی متحرک تصاویر کو اس کے رازوں سے پردہ اٹھانے کی اپنی کوشش میں شامل کیا ہے۔

کریکنگ پروٹون کو کھولنا

اس بات کا ثبوت کہ پروٹون کثیر تعداد پر مشتمل ہے 1967 میں اسٹینفورڈ لائنر ایکسلریٹر سینٹر (SLAC) سے آیا۔ پہلے تجربات میں، محققین نے اسے الیکٹرانوں کے ساتھ پھینکا تھا اور انہیں بلئرڈ گیندوں کی طرح ریکوشیٹ کرتے دیکھا تھا۔ لیکن SLAC الیکٹرانوں کو زیادہ زور سے پھینک سکتا ہے، اور محققین نے دیکھا کہ وہ مختلف طریقے سے پیچھے ہٹ گئے۔ الیکٹران پروٹون کو اتنا زور سے مار رہے تھے کہ اسے بکھرا دیا جائے - ایک ایسا عمل جسے گہرا غیر لچکدار بکھرنا کہا جاتا ہے - اور پروٹون کے نقطہ نما شارڈز سے ریباؤنڈ ہو رہے تھے جسے کوارک کہتے ہیں۔ "یہ پہلا ثبوت تھا کہ کوارک حقیقت میں موجود ہیں،" کہا Xiaochao Zheng، ورجینیا یونیورسٹی میں ماہر طبیعیات۔

SLAC کی دریافت کے بعد، جس نے 1990 میں فزکس کا نوبل انعام جیتا، پروٹون کی جانچ تیز ہو گئی۔ طبیعیات دانوں نے آج تک بکھرنے کے سینکڑوں تجربات کیے ہیں۔ وہ آبجیکٹ کے اندرونی حصے کے مختلف پہلوؤں کا اندازہ لگاتے ہیں کہ وہ کتنی زبردستی اس پر بمباری کرتے ہیں اور یہ منتخب کرتے ہیں کہ وہ کون سے بکھرے ہوئے ذرات کو بعد میں جمع کرتے ہیں۔

اعلی توانائی والے الیکٹرانوں کا استعمال کرتے ہوئے، طبیعیات دان ہدف پروٹون کی بہتر خصوصیات کو تلاش کر سکتے ہیں۔ اس طرح، الیکٹران توانائی ایک گہرے غیر لچکدار بکھرنے والے تجربے کی زیادہ سے زیادہ حل کرنے کی طاقت کا تعین کرتی ہے۔ زیادہ طاقتور ذرہ ٹکرانے والے پروٹون کا تیز نظارہ پیش کرتے ہیں۔

اعلی توانائی کے ٹکرانے والے بھی تصادم کے نتائج کی ایک وسیع صف پیدا کرتے ہیں، جس سے محققین کو تجزیہ کرنے کے لیے باہر جانے والے الیکٹرانوں کے مختلف ذیلی سیٹوں کا انتخاب کرنے دیتے ہیں۔ یہ لچک کوارکس کو سمجھنے کی کلید ثابت ہوئی ہے، جو پروٹون کے اندر مختلف مقداروں کی رفتار کے ساتھ خیال رکھتے ہیں۔

ہر بکھرے ہوئے الیکٹران کی توانائی اور رفتار کی پیمائش کرکے، محققین یہ بتا سکتے ہیں کہ آیا اس نے پروٹون کی کل رفتار کا ایک بڑا حصہ لے جانے والے کوارک پر نظر ڈالی ہے یا صرف ایک سمڈجن۔ بار بار ہونے والے تصادم کے ذریعے، وہ مردم شماری کی طرح کچھ لے سکتے ہیں - اس بات کا تعین کرتے ہوئے کہ آیا پروٹون کی رفتار زیادہ تر چند کوارکس میں جکڑی ہوئی ہے، یا بہت سے حصوں میں تقسیم ہے۔

یہاں تک کہ SLAC کے پروٹون کو تقسیم کرنے والے تصادم بھی آج کے معیارات کے مطابق نرم تھے۔ ان بکھرنے والے واقعات میں، الیکٹران اکثر اس طرح سے باہر نکلتے ہیں کہ وہ پروٹون کی کل رفتار کا ایک تہائی کوارکس سے ٹکرا گئے تھے۔ یہ دریافت مرے گیل مین اور جارج زیویگ کے ایک نظریے سے مماثل ہے، جنہوں نے 1964 میں کہا تھا کہ ایک پروٹون تین کوارک پر مشتمل ہوتا ہے۔

Gell-Mann اور Zweig کا "کوارک ماڈل" پروٹون کا تصور کرنے کا ایک خوبصورت طریقہ ہے۔ اس میں دو "اوپر" کوارک ہیں جن میں ہر ایک کے الیکٹرک چارجز +2/3 ہیں اور ایک "ڈاون" کوارک ہے جس کا چارج −1/3 ہے، کل پروٹون چارج کے لیے۔

لیکن کوارک ماڈل ایک حد سے زیادہ آسان ہے جس میں سنگین خامیاں ہیں۔

یہ ناکام ہو جاتا ہے، مثال کے طور پر، جب بات پروٹون کے اسپن کی ہو، ایک کوانٹم خاصیت جو زاویہ کی رفتار سے مشابہ ہے۔ پروٹون میں گھماؤ کی آدھی اکائی ہوتی ہے، جیسا کہ اس کے اوپر اور نیچے کوارکس میں سے ہر ایک ہوتا ہے۔ طبیعیات دانوں نے ابتدائی طور پر فرض کیا کہ - سادہ چارج ریاضی کی بازگشت کے حساب سے - نیچے کوارک کے منفی دو اپ کوارک کی نصف اکائیوں کو مجموعی طور پر پروٹون کے لیے نصف یونٹ کے برابر ہونا چاہیے۔ لیکن 1988 میں، یورپی Muon تعاون رپورٹ کے مطابق کہ کوارک گھماؤ ڈیڑھ سے بھی کم کا اضافہ کرتا ہے۔ اسی طرح، دو اپ کوارک اور ایک نیچے کوارک کی کمیت پروٹون کے کل کمیت کا صرف 1% پر مشتمل ہے۔ ان کمیوں نے ایک ایسے نقطہ کو جنم دیا جس کی فزیکسٹ پہلے ہی تعریف کرنے آ رہے تھے: پروٹون تین کوارکس سے کہیں زیادہ ہے۔

تین کوارکس سے بہت زیادہ

Hadron-Electron Ring Accelerator (HERA)، جو کہ ہیمبرگ، جرمنی میں 1992 سے 2007 تک کام کرتا تھا، نے SLAC کے مقابلے میں تقریباً ایک ہزار گنا زیادہ طاقت کے ساتھ الیکٹرانوں کو پروٹون میں پھینک دیا۔ HERA کے تجربات میں، طبیعیات دان ایسے الیکٹرانوں کا انتخاب کر سکتے ہیں جو انتہائی کم رفتار والے کوارکس سے باؤنس ہو گئے تھے، جن میں پروٹون کی کل رفتار کا 0.005 فیصد تک کم ہوتا ہے۔ اور ان کا پتہ لگائیں کہ انہوں نے کیا: ہیرا کے الیکٹران کم رفتار والے کوارکس اور ان کے اینٹی میٹر کے ہم منصبوں، اینٹی کوارکس کے ایک میلسٹروم سے ریباؤنڈ ہوئے۔

نتائج نے ایک نفیس اور غیر ملکی نظریہ کی تصدیق کی جس نے اس وقت تک Gell-Mann اور Zweig کے کوارک ماڈل کی جگہ لے لی تھی۔ 1970 کی دہائی میں تیار کیا گیا، یہ "مضبوط قوت" کا کوانٹم نظریہ تھا جو کوارک کے درمیان کام کرتا ہے۔ نظریہ کوارکس کو گلوونز کہلانے والے ذرّات کے ذریعے ایک دوسرے کے ساتھ باندھے جانے کے طور پر بیان کیا گیا ہے۔ ہر کوارک اور ہر گلوون پر تین اقسام میں سے ایک "رنگ" چارج ہوتا ہے، جس پر سرخ، سبز اور نیلے لیبل لگا ہوتا ہے۔ رنگ سے چارج ہونے والے یہ ذرات قدرتی طور پر ایک دوسرے کو کھینچتے ہیں اور ایک گروپ بناتے ہیں — جیسے کہ پروٹون — جس کے رنگ ایک غیر جانبدار سفید تک مل جاتے ہیں۔ رنگین نظریہ کوانٹم کروموڈینامکس یا کیو سی ڈی کے نام سے جانا جاتا ہے۔

کیو سی ڈی کے مطابق، گلوون توانائی کے لمحاتی اسپائکس کو اٹھا سکتے ہیں۔ اس توانائی کے ساتھ، ایک گلوون ایک کوارک اور ایک اینٹی کوارک میں تقسیم ہو جاتا ہے — ہر ایک میں تھوڑی سی رفتار ہوتی ہے — اس سے پہلے کہ جوڑا فنا ہو جائے اور غائب ہو جائے۔ چھوٹی توانائی کی سپائیکس کم رفتار کے ساتھ کوارک جوڑے پیدا کرتی ہیں، جو مختصر زندگی گزارتی ہیں۔ یہ گلوون، کوارکس اور اینٹی کوارک کا یہ "سمندر" ہے جس کا HERA، کم رفتار کے ذرات کے لیے اپنی زیادہ حساسیت کے ساتھ، خود ہی پتہ چلا۔

ہیرا نے اس بات کے اشارے بھی اٹھائے کہ پروٹون زیادہ طاقتور ٹکرانے والوں میں کیسا نظر آئے گا۔ جیسا کہ طبیعیات دانوں نے کم رفتار والے کوارکس کو تلاش کرنے کے لیے HERA کو ایڈجسٹ کیا، یہ کوارکس - جو گلوون سے آتے ہیں - زیادہ اور زیادہ تعداد میں ظاہر ہوئے۔ نتائج نے تجویز کیا کہ اعلی توانائی کے تصادم میں بھی، پروٹون ایک بادل کے طور پر ظاہر ہوتا ہے جو تقریباً مکمل طور پر گلوون پر مشتمل ہوتا ہے۔

گلوون ڈینڈیلین بالکل وہی ہے جس کی QCD نے پیش گوئی کی ہے۔ ملنر نے کہا کہ "HERA ڈیٹا براہ راست تجرباتی ثبوت ہے کہ QCD فطرت کو بیان کرتا ہے۔"

لیکن نوجوان نظریہ کی فتح ایک کڑوی گولی کے ساتھ ہوئی: جب کہ QCD نے ہیرا کے انتہائی تصادم سے ظاہر ہونے والے قلیل المدتی کوارک اور گلوون کے رقص کو خوبصورتی سے بیان کیا، لیکن یہ نظریہ SLAC کی ہلکی بمباری میں نظر آنے والے تین دیرپا کوارکس کو سمجھنے کے لیے بیکار ہے۔

QCD کی پیشین گوئیاں صرف اس وقت سمجھنا آسان ہیں جب مضبوط قوت نسبتاً کمزور ہو۔ اور مضبوط قوت صرف اس وقت کمزور ہوتی ہے جب کوارک ایک دوسرے کے انتہائی قریب ہوتے ہیں، کیونکہ وہ مختصر مدت کے کوارک-اینٹی کوارک جوڑوں میں ہوتے ہیں۔ فرینک ولکزیک، ڈیوڈ گراس اور ڈیوڈ پولٹزر نے 1973 میں QCD کی اس وضاحتی خصوصیت کی نشاندہی کی، 31 سال بعد اس کے لیے نوبل انعام جیتا۔

لیکن SLAC جیسے ہلکے تصادم کے لیے، جہاں پروٹون تین کوارکس کی طرح کام کرتا ہے جو باہمی طور پر اپنا فاصلہ برقرار رکھتے ہیں، یہ کوارکس ایک دوسرے کو اس قدر مضبوطی سے کھینچتے ہیں کہ QCD کا حساب لگانا ناممکن ہو جاتا ہے۔ اس طرح، پروٹون کے تھری کوارک کے نقطہ نظر کو مزید غیر واضح کرنے کا کام زیادہ تر تجرباتی ماہرین کے پاس آ گیا ہے۔ (محققین جو "ڈیجیٹل تجربات" چلاتے ہیں، جس میں QCD پیشین گوئیاں سپر کمپیوٹرز پر نقل کی جاتی ہیں، نے بھی بنایا ہے اہم شراکتیں.) اور یہ اس کم ریزولوشن تصویر میں ہے کہ طبیعیات دان حیرت کی تلاش کرتے رہتے ہیں۔

ایک دلکش نیا منظر

حال ہی میں، کی قیادت میں ایک ٹیم جوآن روزو نیدرلینڈز میں نیشنل انسٹی ٹیوٹ برائے سباٹومک فزکس اور VU یونیورسٹی ایمسٹرڈیم نے گزشتہ 5,000 سالوں میں لیے گئے 50 سے زیادہ پروٹون اسنیپ شاٹس کا تجزیہ کیا، مشین لرننگ کا استعمال کرتے ہوئے پروٹون کے اندر کوارک اور گلوون کی حرکات کا اندازہ اس طرح سے کیا کہ نظریاتی اندازے سے ہٹ جائیں۔

 نئی جانچ نے ان تصاویر میں پس منظر کا دھندلا پن اٹھایا جو ماضی کے محققین سے بچ گئے تھے۔ نسبتاً نرم تصادم میں بمشکل پروٹون کو توڑا جاتا ہے، زیادہ تر رفتار معمول کے تین کوارکس میں بند ہو جاتی تھی: دو اوپر اور ایک نیچے۔ لیکن رفتار کی ایک چھوٹی سی مقدار ایک "دلکش" کوارک اور چارم اینٹی کوارک سے آتی دکھائی دیتی ہے - بہت بڑے ابتدائی ذرات جن میں سے ہر ایک پورے پروٹون سے ایک تہائی سے زیادہ ہے۔

پروٹون کے "کوارک سمندر" کے منظر میں قلیل المدتی کرشمے اکثر ظاہر ہوتے ہیں (اگر ان کے پاس کافی توانائی ہو تو گلوون چھ مختلف کوارک اقسام میں سے کسی میں بھی تقسیم ہو سکتے ہیں)۔ لیکن روزو اور ساتھیوں کے نتائج بتاتے ہیں کہ کرشموں کی زیادہ مستقل موجودگی ہوتی ہے، جس کی وجہ سے وہ ہلکے تصادم میں قابل شناخت ہوتے ہیں۔ ان تصادم میں، پروٹون متعدد حالتوں کے کوانٹم مرکب، یا سپرپوزیشن کے طور پر ظاہر ہوتا ہے: ایک الیکٹران عام طور پر تین ہلکے وزن والے کوارکس کا سامنا کرتا ہے۔ لیکن یہ کبھی کبھار پانچ کوارکس کے ایک نایاب "انو" کا سامنا کرے گا، جیسے کہ اوپر، نیچے اور چارم کوارک ایک طرف اور دوسری طرف اپ کوارک اور چارم اینٹی کوارک۔

پروٹون کے میک اپ کے بارے میں ایسی لطیف تفصیلات نتیجہ خیز ثابت ہوسکتی ہیں۔ لارج ہیڈرون کولائیڈر میں، طبیعیات دان تیز رفتار پروٹون کو ایک ساتھ مار کر اور یہ دیکھ کر نئے ابتدائی ذرات تلاش کرتے ہیں کہ کیا نکلتا ہے۔ نتائج کو سمجھنے کے لیے، محققین کو یہ جاننے کی ضرورت ہے کہ شروع کرنے کے لیے پروٹون میں کیا ہے۔ وشال دلکش کوارکس کا کبھی کبھار ظاہر ہوتا ہے۔ مشکلات کو پھینک دو مزید غیر ملکی ذرات بنانے کا۔

اور جب کائناتی شعاعیں کہلانے والے پروٹون خلا سے یہاں دوڑتے ہیں اور زمین کی فضا میں موجود پروٹونوں میں ٹکرا جاتے ہیں، تو صحیح لمحات پر ظاہر ہونے والے دلکش کوارکس زمین پر پانی کی بارش کریں گے۔ اضافی توانائی بخش نیوٹرینو، محققین نے 2021 میں حساب لگایا۔ یہ مبصرین کو الجھا سکتے ہیں۔ تلاش پورے برہمانڈ سے آنے والے اعلی توانائی والے نیوٹرینو کے لیے۔

روزو کے تعاون کا منصوبہ ہے کہ وہ پروٹون کی تلاش جاری رکھے اور توجہ کوارکس اور اینٹی کوارک کے درمیان عدم توازن تلاش کرے۔ اور بھاری اجزاء، جیسے ٹاپ کوارک، اس سے بھی زیادہ نایاب اور کھوج لگانے میں مشکل سے ظاہر ہو سکتے ہیں۔

اگلی نسل کے تجربات مزید نامعلوم خصوصیات کی تلاش کریں گے۔ بروکھاوین نیشنل لیبارٹری کے ماہرین طبیعیات 2030 کی دہائی میں الیکٹران-آئن کولائیڈر کو فائر کرنے اور جہاں سے HERA چھوڑا تھا وہیں سے شروع کرنے کی امید کرتے ہیں، اعلی ریزولیوشن اسنیپ شاٹس لیتے ہیں جو پروٹون کی پہلی 3D تعمیر نو کو قابل بنائے گی۔ EIC اندرونی کوارکس اور گلوون کے گھماؤ کے تفصیلی نقشے بنانے کے لیے گھومنے والے الیکٹرانوں کا بھی استعمال کرے گا، بالکل اسی طرح جیسے SLAC اور HERA نے اپنی رفتار کا نقشہ بنایا ہے۔ اس سے محققین کو آخر کار پروٹون کے گھماؤ کی اصلیت کا پتہ لگانے میں مدد ملنی چاہیے، اور اس حیران کن ذرے کے بارے میں دیگر بنیادی سوالات کو حل کرنے میں مدد ملنی چاہیے جو ہماری روزمرہ کی دنیا کا بیشتر حصہ بناتا ہے۔