প্রোটনের অন্দরমহল

সাধারণত আমরা জানি যে একটি প্রোটন হল তিনটি মৌলিক কণার একটি বান্ডিল যাদের বলা হয় কোয়ার্ক। দুটি "আপ" কোয়ার্ক এবং একটি "ডাউন" কোয়ার্ক, যার বৈদ্যুতিক চার্জ যথাক্রমে +2/3 এবং −1/3। এরা একত্রিত হয়ে একটি প্রোটন তৈরি করে যার মোট বৈদ্যুতিক চার্জ হয় +1। কিন্তু এই সরল ছবিটার অন্দরে রয়েছে অপরিচিত এবং এখনও অমীমাংসিত কাহিনী যার কিছুটা এখানে বলতে চেয়েছি। 

বৈজ্ঞানিকদের মতে বাস্তবে প্রোটনের অভ্যন্তরীণ অংশে কোয়ার্ক, তাদের আ্যন্টি কোয়ার্ক এবং "গ্লুওন" কণা যা অন্যদের একত্রে আবদ্ধ করে, অবিশ্রান্তভাবে ফ্ল্যাকচুয়েট করে। এরা নিজেদের মধ্যে পরিবর্তিত হয় এবং এদের সংখ্যার হ্রাস বৃদ্ধি ঘটে। সমগ্র সিস্টেমটা পুরোপুরি স্থিতিশীল এবং তা মোট তিনটি কোয়ার্ককে আমাদের কাছে উপস্থাপিত করে। এই পুরো সিস্টেমকে বলা হয় "প্রোটন সমুদ্র" বা “proton sea” .

ত্রিশ বছর আগে, গবেষকরা এই "প্রোটন সমুদ্রের" একটি আকর্ষণীয় বৈশিষ্ট্য আবিষ্কার করেছিলেন। তাত্ত্বিকরা ধারণা করেছিলেন যে প্রোটনের মধ্যে ছয় প্রকারের কোয়ার্কের অ্যান্টিম্যাটারের সমান বিস্তার থাকবে। কিন্তু দেখা যায় তাদের মধ্যে "ডাউন" আ্যন্টিকোয়ার্কের সংখ্যা অন্য ফ্লেভারের আ্যন্টিকোয়ার্কের চেয়ে বেশি। পরবর্তী সময়ে একটি অন্য গবেষণায় ডাউন এবং আপ আ্যন্টিকোয়ার্কের অনুপাতের মধ্যে আশ্চর্যজনক বৈচিত্র্য লক্ষ্য করা যায়। 

কুড়ি বছর আগে বিজ্ঞানী Geesaman এবং তাঁর সহযোগী Paul Reimer একটি দীর্ঘকালীন পরীক্ষা শুরু করেছিলেন। সেই পরীক্ষাকে বলা হয় SeaQuest. সেই পরীক্ষার ফলাফল নেচার জার্নালে প্রকাশিত হয়। তারা প্রোটনের অভ্যন্তরীণ অ্যান্টিম্যাটারকে বিশদভাবে পরিমাপ করেছিলেন। তাঁদের প্রাপ্ত ফলাফল অনুযায়ী একটি প্রোটনে প্রতি "আপ" অ্যান্টিকোয়ার্কের জন্য গড়ে 1.4 টি "ডাউন" অ্যান্টিকোয়ার্ক রয়েছে।

সেই পরীক্ষায় প্রাপ্ত তথ্যগুলি "প্রোটন সমুদ্রের" দুটি তাত্ত্বিক মডেলের পক্ষে সমর্থন করে। তার মধ্যে একটি হলো “pion cloud” মডেল। এই মডেল অনুযায়ী প্রোটন কণার ক্ষেত্রে পাইয়ন কণার নির্গমন ও তাকে পুনরায় শোষণ করার প্রবণতা দেখা যায়। এই পাইয়ন কণা হলো এক ধরনের মেসন কণা। অন্য মডেলটি হলো "statistical model". এই মডেলে প্রোটন একটি গ্যাসীয় পদার্থে পূর্ণ একটি কন্টেনারের মতো আচরণ করে।

ভবিষ্যতে গবেষকরা এই দুটো মডেলের যেকোনো একটাকে বেছে নিতে পারেন। কিন্তু যে মডেলটিই সঠিক হোক না কেন, প্রোটনের অভ্যন্তরীণ অ্যান্টিম্যাটার সম্পর্কে SeaQuest-এর থেকে প্রাপ্ত তথ্যগুলো অত্যন্ত সহায়ক হবে। বিশেষ করে LHC তে প্রায় আলোর গতিতে চলমান প্রোটনকে নিয়ে গবেষণা করার সময়ে সেই তথ্যগুলো খুবই প্রয়োজনীয়। যখন এটা জানা যায় যে সংঘর্ষকারী বস্তুর মধ্যে ঠিক কী আছে, সেই সংঘর্ষের ফলে সৃষ্ট নতুন ধ্বংসাবশেষ সম্পর্কে আরও নিখুঁতভাবে গবেষণা করা সম্ভব।

প্রায় অর্ধ শতাব্দী আগে অল্প কিছু সময়ের জন্য, পদার্থবিদরা ভেবেছিলেন যে তাঁরা প্রোটন সম্পর্কে সবকিছুই জেনে ফেলেছেন। 1964 সালে, Murray Gell-Mann এবং George Zweig পৃথকভাবে কোয়ার্ক মডেলের অবতারণা করেছিলেন। সেই মডেল অনুযায়ী প্রোটন, নিউট্রন এবং আরও কিছু কণা তিনটি কোয়ার্কের সমন্বয়ে গঠিত আর পাইয়ন এবং অন্যান্য মেসন কণা একটি কোয়ার্ক এবং একটি অ্যান্টিকোয়ার্ক দিয়ে তৈরি। পরবর্তী সময়ে 1970 সালের কাছাকাছি স্ট্যানফোর্ডের SLAC অ্যাক্সিলারেটরের গবেষকরা কোয়ার্ক মডেলকে প্রতিষ্ঠিত করেন।

কিন্তু সেই আপাত পরিস্কার ছবিটি শীঘ্রই ঘোলাটে হয়ে গেল। বিজ্ঞানীরা প্রোটনের মধ্যে যখনই এই তিনটি কোয়ার্কের বৈশিষ্ট্যগুলি আরও বেশি করে পরিমাপ করার চেষ্টা করতে শুরু করলেন তখন দেখা গেল যে সেখানে কিছু অতিরিক্ত জিনিস চলছে। তিনটি কোয়ার্কের ভরবেগ যাচাই করে দেখা গেছে যে তাদের ভর প্রোটনের মোট ভরের একটি ভগ্নাংশের সমান। এছাড়াও যখন SLAC কণা ত্বরক যন্ত্রে আরও দ্রুত গতি সম্পন্ন ইলেকট্রন ব্যাবহার করা হয় তখন দেখা যায় প্রোটনের মধ্যে আরও কিছু কণার অস্তিত্ব থাকতে পারে।

Quantum Chromodynamics বা QCD তত্ত্ব প্রয়োগ করে দেখা যায় সেই নির্দিষ্ট কোয়ার্ক মডেলটি কেবল আনুমানিক। 1973 সালে প্রণীত এই QCD তত্ত্বটি প্রকৃতির একটি মৌলিক বল “strong force" কে বর্ণনা করে, যেখানে গ্লুয়ন নামক কণাগুলি কোয়ার্কের বান্ডিলকে সংযুক্ত করে। সেই তত্ত্ব অনুযায়ী প্রোটনের অভ্যন্তরীণ গঠনকে ব্যাখ্যা করা যায়।

"প্রোটন সমুদ্রের" জটিলতাগুলি দেখা দেয় কারণ গ্লুওনগুলি তাদের নিজেদের বহন করা শক্তি নিজেরাই অনুভব করে। (এই কারণেই এগুলি ফোটন থেকে আলাদা, ফোটন সহজতর তড়িৎ চৌম্বকীয় শক্তি বহন করে।) এই স্ব-কার্যক্রম প্রোটনের অভ্যন্তরে একটি এমন অবস্থা তৈরি করে যেখানে গ্লুওনগুলি নিজেরাই উৎপন্ন হতে এবং বিস্তৃত হতে পারে। এর সাথে এরা নিজেরাই স্বল্পস্থায়ী কোয়ার্ক-অ্যান্টিকোয়ার্ক জোড়ায় বিভক্ত হতে পারে। দূর থেকে এই ক্ষণস্থায়ী এবং বিপরীত আধানযুক্ত কোয়ার্ক এবং অ্যান্টিকোয়ার্কগুলি ধ্বংস হয়ে যায় এবং অলক্ষিত অবস্থায় থেকে যায়। শুধুমাত্র তিনটি ভারসাম্যহীন "ভ্যালেন্স" কোয়ার্ক - দুটি আপ এবং একটি ডাউন - প্রোটনের সামগ্রিক চার্জে অবদান রাখে। কিন্তু SLAC কণা ত্বরক যন্ত্রে অতি দ্রুত গতিতে চলমান ইলেকট্রনগুলি তাদের প্রভাব অনুভব করতে পারে।

কিন্তু নিজেই নিজের উপর ক্রিয়া করা গ্লুওন গুলি QCD তত্ত্বের সমীকরণগুলোকে সমাধান করতে পারে না, তাই পদার্থবিদরা তত্ত্বের সুনির্দিষ্ট ভবিষ্যদ্বাণীগুলি গণনা করতে পারেননি। তাঁরা ধারণা করেছিলেন গ্লুওনগুলি সবকটি অর্থাৎ ছয়টি  কোয়ার্ক-অ্যান্টিকোয়ার্ক জোড়ার উৎপত্তি ঘটায়। 

কিন্তু যখন 1991 সালে, জেনেভায় New Muon Collaboration এ ইলেকট্রনের অপেক্ষাকৃত ভারী কাজিন "মিউওন" কণাকে প্রোটন আর deuteron এর (একটি প্রোটন এবং একটি নিউট্রন দ্বারা গঠিত) মিশ্রণের সঙ্গে সংঘর্ষ ঘটানো হয়, তখন পর্যবেক্ষণ করা হয় যে সেই প্রোটন সমুদ্রের চারপাশে "আপ" আ্যন্টিকোয়ার্কের চেয়ে বেশি সংখ্যায় ছড়িয়ে পড়ছে "ডাউন" আ্যন্টিকোয়ার্ক!

এই অসমতার একটি ব্যাখ্যা করতে গিয়ে বিজ্ঞানীরা বলেছেন এর মধ্যে "পাইওন" কণা জড়িয়ে আছে। সেই 1940-এর দশক থেকে, পদার্থবিদরা দেখেছেন যে প্রোটন এবং নিউট্রন পারমাণবিক নিউক্লিয়াসের ভিতরে পাইওন কণার আদান-প্রদান করে, ঠিক যেমন ভাবে বাস্কেটবল খেলোয়াড়েরা নিজেদের মধ্যে বলের দেওয়া নেওয়া করে।এই কাজটি তাদের একত্রিত করতে সাহায্য করে। গবেষকরা বুঝতে পেরেছিলেন যে কোনও বাস্কেটবল খেলোয়াড় বলটিকে নিজের কাছেও ছুঁড়তে পারে - অর্থাৎ, এটি একটি পজিটিভ চার্জযুক্ত পাইয়নকে সংক্ষিপ্ত সময়ের জন্য নির্গত করতে এবং পুনরায় শোষণ করতে পারে, ইতিমধ্যে সেটি একটি নিউট্রনে পরিণত হয়। এই বিষয়ে একজন গবেষক বলেছিলেন  “If you’re doing an experiment and you think you’re looking at a proton, you’re fooling yourself, because some of the time that proton is going to fluctuate into this neutron-pion pair."

বিশেষত, প্রোটন একটি নিউট্রন এবং একটি পাইওন কণায় পরিণত হয়। এই পাইওন কণা একটি আপ কোয়ার্ক এবং একটি ডাউন অ্যান্টিকোয়ার্ক দিয়ে তৈরি। Alberg, Gerald Miller এবং Tony Thomas ইত্যাদি বিজ্ঞানীদের মতে যেহেতু এই অদ্ভুতুড়ে পাইওন কণাটির মধ্যে একটি ডাউন অ্যান্টিকোয়ার্ক রয়েছে, তাই এই পাইওন ক্লাউডের ধারণা প্রোটনের মধ্যে মাপা অ্যান্টিকোয়ার্কের উদ্বৃত্তকে ব্যাখ্যা করে।

অন্যদিকে আরও বেশ কিছু যুক্তি উঠে এসেছে। ফ্রান্সে বিজ্ঞানী Claude Bourrely এবং তাঁর সহযোগীরা "statistical model" তৈরি করেছেন। এই মডেল অনুযায়ী প্রোটনের অভ্যন্তরীণ কণাগুলো একটি বদ্ধ ঘরে আবদ্ধ হয়ে থাকা গ্যাসীয় অনুর মতো আচরণ করে। সেই অভ্যন্তরীণ কণাগুলোর গতি তাদের কৌনিক ভরবেগের উপর নির্ভর করে। প্রোটনের মোট ভরের বেশিরভাগই আসে সেই আলাদা আলাদা কণার শক্তি থেকে যা প্রোটন সমুদ্রের ভিতরে থাকে এবং এই কণাগুলি বিভিন্ন শক্তি বহন করে। "আপ" এবং "ডাউন" অ্যান্টিকোয়ার্কের অনুপাত নির্ভর করে কতগুলো অ্যান্টিকোয়ার্ককে গননা করা হয়েছে। এক্ষেত্রে বিজ্ঞানীরা আ্যন্টিকোয়ার্কের momentum fraction নামক একটি পরিমাণ পরিমাপ করেন।

1999 সালে ফার্মিলাবে "NuSea" পরীক্ষা অ্যান্টিকোয়ার্ক ভরবেগের একটি ফাংশন হিসাবে ডাউন এবং আপ কোয়ার্কের অনুপাত পরিমাপ করেছিল। সেই পরীক্ষা থেকে প্রাপ্ত ফলাফলে পাওয়া যায় যে যথেষ্ট ভরবেগ সহ অ্যান্টিকোয়ার্কগুলির মধ্যে আপ অ্যান্টিকোয়ার্কগুলি হঠাৎ করে ডাউন আ্যন্টিকোয়ার্কের চেয়ে বেশি শক্তি সম্পন্ন হয়ে ওঠে। এর পরেই Geesaman এবং Reimer অ্যান্টিকোয়ার্কের ভরবেগের পরিসীমা অন্বেষণ করার জন্য SeaQuest পরীক্ষা শুরু করেন।

এই পরীক্ষায় একটি প্রোটন দুটো লক্ষ্যবস্তুতে আঘাত করে। একটি হলো হাইড্রোজেন, যা মূলত প্রোটন এবং আর একটি হলো ডিউটেরিয়াম, যার নিউক্লিয়াসে একটি প্রোটন এবং একটি নিউট্রন অবস্থিত। যখন একটি প্রোটন লক্ষ্যবস্তুতে আঘাত করে, তখন এর ভ্যালেন্স কোয়ার্কগুলির একটি কখনও কখনও লক্ষ্যবস্তুর প্রোটন বা নিউট্রনের একটি অ্যান্টিকোয়ার্কের সাথে ধ্বংস হয়ে যায়। সেই সংঘর্ষের ফলে অন্যান্য কণার সঙ্গে উৎপন্ন হয় একটি মিউয়ন এবং একটি অ্যান্টিমিউয়ন। উৎপন্ন কণাগুলোকে একটা লোহার তৈরি স্ল্যাবের দিকে পাঠানো হয়। বাকি সমস্ত কণা থেমে গেলেও মিউওন কণা সেই স্ল্যাবকে ভেদ করে যেতে পারে। সেই মিউওন কণাগুলো নিয়ে গবেষণা করে আ্যন্টিকোয়ার্কের momentum fraction নির্ণয় করা যায়। 

এখন প্রোটন এবং নিউট্রনকে পরস্পরের দর্পন প্রতিবিম্ব বলা যায়, কারণ প্রোটনে দুটি আপ কোয়ার্ক এবং একটি ডাউন কোয়ার্ক থাকে। নিউট্রনে একটি আপ কোয়ার্ক এবং দুটি ডাউন কোয়ার্ক থাকে। সুতরাং দুটি জায়গা থেকে পাওয়া তথ্যের তুলনা করে বিজ্ঞানীরা সরাসরি মূল প্রোটনে "আপ" অ্যান্টিকোয়ার্কের এবং "ডাউন" অ্যান্টিকোয়ার্কের অনুপাত নির্ণয় করতে পারেন। 2019 সালে বিজ্ঞানী অ্যালবার্গ এবং মিলার দেখেছিলেন যে pion cloud মডেলের সাথে SeaQuest পরীক্ষার তথ্য মিলে যায়।

প্রোটনকে বিশদভাবে জানতে গেলে একটি অন্যতম ফ্যাক্টর হতে পারে এর স্পিন, বা অন্তর্নিহিত কৌণিক ভরবেগ। 1980 এর দশকের শেষের দিকে একটি মিউওন স্ক্যাটারিং পরীক্ষায় দেখা গেছে যে প্রোটনের তিনটি ভ্যালেন্স কোয়ার্কের স্পিনের প্রতিসাম্যতা (symmetry) প্রোটনের মোট স্পিন এর 30% এর বেশি নয়। তাহলে বাকী 70% এর জন্য কোন বিষয়টি দায়ী? আগামী দিনে ফার্মিলাবে এবং ব্রুকহেভেন ন্যাশনাল ল্যাবরেটরির পরিকল্পিত ইলেক্ট্রন-আয়ন কোলাইডারে "প্রোটন সমুদ্রের" স্পিন সম্পর্কিত বিশদ পরীক্ষা করবে। তার মধ্যে অপেক্ষাকৃত বিরল "রো মেসন" (rho mesons) কণার ভূমিকাও খতিয়ে দেখা হবে। পাইওন কণার কোনো স্পিন নেই কিন্তু রো মেসনের স্পিন রয়েছে। তাই প্রোটনের সামগ্রিক স্পিনের মধ্যে সেই কণার অবদান থাকা উচিত। ফার্মিল্যাবের SpinQuest অনুসন্ধান খুব শীঘ্রই শুরু হতে চলেছে। তার ফলে প্রোটনের অন্দরমহল আরও বেশি করে আমাদের সামনে উন্মোচিত হবে।

লিখাঃ সরোজ নাগ

তথ্য সূত্র - 1) Dove, J., Kerns, B., McClellan, R.E. et al. The asymmetry of antimatter in the proton. Nature 590, 561–565 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03282-z

2) https://doi.org/10.1016/S0920-5632(99)00657-X

3) https://doi.org/10.1016/0370-2693(88)91523-7

4) https://spinquest.fnal.gov/physics-of-spinquest/

পোস্টের সঙ্গে দেওয়া চিত্রটি ইন্টারনেটের সৌজন্যে প্রাপ্ত।