প্রতিপদার্থ কত সহজে তৈরি হয়?

প্রতিপদার্থ কি সাধারণ পদার্থের মতোই পড়ে? সার্নের প্রতিপ্রোটন মন্থরক AD/ELENA-তে চলা পরীক্ষাগুলো প্রতিহাইড্রোজেন দিয়ে পদার্থবিজ্ঞানের মৌলিক প্রতিসাম্যগুলো যাচাই করে: একটি প্রতিপ্রোটনের সঙ্গে বাঁধা একটি পজিট্রন, হাইড্রোজেন পরমাণুর আয়না-প্রতিবিম্ব। এদের মধ্যে GBAR — “Gravitational Behaviour of Antimatter at Rest”, অর্থাৎ স্থির প্রতিপদার্থের মহাকর্ষীয় আচরণ — তৈরি হয়েছে পৃথিবীর মাধ্যাকর্ষণে প্রতিহাইড্রোজেন কত দ্রুত ত্বরান্বিত হয় তা মাপতে।

GBAR-এর পথ অস্বাভাবিক। অন্য পরীক্ষাগুলো একটি ফাঁদে প্রতিপ্রোটন ও পজিট্রন মিশিয়ে প্রতিহাইড্রোজেন গড়ে। GBAR-এর বদলে পরিকল্পনা হলো পজিট্রোনিয়াম (Ps) — একটি ইলেকট্রন ও একটি পজিট্রন দিয়ে গড়া এক বিচিত্র পরমাণু — এর সঙ্গে দুই ধাপের আধান-বিনিময় (charge exchange):

1. p̄ + Ps → H̄ + e⁻: একটি প্রতিপ্রোটন পজিট্রনটি দখল করে প্রতিহাইড্রোজেনে পরিণত হয়;
2. H̄ + Ps → H̄⁺ + e⁻: প্রতিহাইড্রোজেন দ্বিতীয় একটি পজিট্রন দখল করে ধনাত্মক আয়নে পরিণত হয়।

সেই আয়নকে বেরিলিয়াম আয়ন দিয়ে ঠান্ডা করা যায়, তারপর একটি লেজার বাড়তি পজিট্রনটি ছাড়িয়ে নেয়, পড়ে থাকে প্রায় ১০ মাইক্রোকেলভিন তাপমাত্রার প্রতিহাইড্রোজেন পরমাণু — মুক্ত-পতন পরীক্ষার জন্য যথেষ্ট ঠান্ডা।

সম্ভাবনা জানা

সহযোগী দলটি ২০২৩ সালেই দেখিয়েছিল যে ভূমি-অবস্থার পজিট্রোনিয়াম দিয়ে ধাপ ১ কাজ করে। কিন্তু বিক্রিয়াটি কতটা সম্ভাব্য, তা বলতে পারেনি — পদার্থবিজ্ঞানীরা এই রাশিকে বলেন প্রস্থচ্ছেদ (cross section), অর্থাৎ একটি প্রতিপ্রোটনকে আঘাত করতে হয় এমন কার্যকর লক্ষ্য-ক্ষেত্রফল। এটি ছাড়া কেউ অনুমান করতে পারে না পূর্ণ পরীক্ষাটি কতগুলো পরমাণু তৈরি করবে।

সাধারণ পদার্থের সমতুল্য বিক্রিয়াটি — একটি প্রোটন একটি পজিট্রন নিয়ে হাইড্রোজেন হয়ে যাওয়া — মাপা হয়েছিল মাত্র একবার, ১৯৯৭ সালে মেরিসন ও সহকর্মীদের হাতে, ১১ থেকে ১৬ কিলো-ইলেকট্রনভোল্টের মধ্যে।

ছোট্ট এক গহ্বরে দুটি রশ্মি

২০২৩ সাল থেকে দলটি তাদের উৎপাদন-হার দশ গুণ বাড়িয়েছে। একদিকে, ছোট একটি ত্বরকযন্ত্র থেকে আসা পজিট্রন ফাঁদে জমা করা হয়: প্রতি দুই মিনিটে দুটি প্রতিপ্রোটন-নিক্ষেপের মাঝে প্রায় ৩০ কোটি। এদের প্রায় ১০ কোটি পৌঁছায় প্রায় ২ মিলিমিটার চওড়া ও ২ সেন্টিমিটার লম্বা একটি গহ্বরে, যার দেয়ালে আছে সছিদ্র সিলিকা, যা এদের কিছু অংশকে পজিট্রোনিয়ামে পরিণত করে। প্রতিটি নিক্ষেপে থেকে যায় প্রায় ৬০ লক্ষ পজিট্রোনিয়াম পরমাণুর একটি আধা-আবদ্ধ মেঘ।

অন্যদিকে, ELENA ১ কোটি ২০ লক্ষ প্রতিপ্রোটনের গুচ্ছ পাঠায়। GBAR এগুলোকে ধীর করে, ফাঁদে আটকায়, ইলেকট্রন দিয়ে ঠান্ডা করে, তারপর ৫০–৬০ লক্ষের গুচ্ছ ৪ বা ৬ কিলো-ইলেকট্রনভোল্টে গহ্বরের মধ্য দিয়ে ছোড়ে, এমন সময় মেপে যাতে তা পজিট্রোনিয়াম মেঘ পেরোয়। তৈরি হওয়া যেকোনো প্রতিহাইড্রোজেন বৈদ্যুতিকভাবে নিস্তড়িৎ: এটি সোজা উড়ে যায় ১.৬ মিটার দূরের একটি শনাক্তকারীর দিকে, আর বাকি প্রতিপ্রোটনগুলো অন্যদিকে বেঁকে যায়।

শত শত প্রতিপরমাণু, একটি সংখ্যা

পজিট্রনসহ ও পজিট্রন ছাড়া হাজার হাজার নিক্ষেপ তুলনা করে শনাক্তকারী ৬ keV-তে ৩৭৯ ± ৩৫টি এবং ৪ keV-তে ৬৯ ± ১৯টি প্রতিহাইড্রোজেন পরমাণু গোনে — শনাক্তকারীর দক্ষতা সংশোধনের পর প্রায় ৩৯২ ও ৭১টি। জড়িত প্রতিপ্রোটন ও পজিট্রোনিয়াম পরমাণুর যত্নশীল গণনা, এবং দুটি স্পন্দন স্থান ও কালে কতটা ভালোভাবে মিলেছিল তার হিসাবের সঙ্গে মিলিয়ে, এ থেকে পাওয়া যায় প্রস্থচ্ছেদ:

• ৬.২ keV-তে (১৪.১ ± ১.৩) × ১০⁻¹⁶ সেমি²;
• ৪.১৫ keV-তে (৮.৭ ± ২.৪) × ১০⁻¹⁶ সেমি² (পরিসংখ্যানগত অনিশ্চয়তা; নিয়মগত অনিশ্চয়তা গবেষণাপত্রে আলাদাভাবে তালিকাভুক্ত)।

প্রতিপ্রোটন রশ্মি দিয়ে করা আধান-বিনিময় প্রস্থচ্ছেদের এটিই প্রথম পরিমাপ, আর এর অনিশ্চয়তা ১৯৯৭ সালের সাধারণ পদার্থের পরিমাপের চেয়ে কম।

তত্ত্ব পরীক্ষায় উত্তীর্ণ

তথাকথিত বর্ন আসন্নমানের (Born approximation) ওপর ভিত্তি করা প্রথম দিকের হিসাবগুলো একে অপরের সঙ্গে মেলেনি — লেখকেরা বলেন, এতে অবাক হওয়ার কিছু নেই, কারণ ৬ keV-তে ভরকেন্দ্র-কাঠামোয় সংঘর্ষ-শক্তি মাত্র প্রায় ৬.৫ ইলেকট্রনভোল্ট। দুটি আধুনিক পদ্ধতি তিন বস্তুর পূর্ণ কোয়ান্টাম সমস্যার সমাধান করে: কনভার্জেন্ট ক্লোজ কাপলিং (Convergent Close Coupling) পদ্ধতি এবং ফাদেয়েভ–মেরকুরিয়েভ সমীকরণ। এরা একে অপরের সঙ্গে মেলে, এবং দলটি জানায়, নতুন তথ্যের সঙ্গে “চমৎকার মিল” দেখায়।

এরপর: আয়ন, তারপর পতন

এটি এখনো মাধ্যাকর্ষণের পরীক্ষা নয়। GBAR-এর পরের ধাপ হলো দ্বিতীয় বিক্রিয়াটি মাপা, যা প্রতিহাইড্রোজেন আয়ন গড়ে, শুরু হবে ELENA থেকে পাওয়া ঋণাত্মক হাইড্রোজেন আয়ন দিয়ে তার সাধারণ-পদার্থ প্রতিরূপ দিয়ে। দুটি হার মিলে ঠিক করবে পরীক্ষাটি কতগুলো অতিশীতল পরমাণু ফেলতে পারবে — এবং তাই প্রতিপদার্থ পদার্থের মতো পড়ে কি না, তা কতটা নির্ভুলভাবে বলতে পারবে।