পরমাণুর নিউক্লিয়াসে সুর মেলানো একটি ঘড়ি ৩০ ঘণ্টা চলল

বিশ্বের সবচেয়ে নির্ভুল ঘড়িগুলো লেজার দিয়ে যাচাই করা পরমাণুর ভেতরের ইলেকট্রনের দোলন গোনে। এগুলো পরিমাপবিদ্যা ও মৌলিক পদার্থবিজ্ঞানের পরীক্ষার জন্য কম্পাঙ্কের মানদণ্ড হিসেবে কাজ করে। থোরিয়াম-২২৯ ভিন্ন ধরনের একটি দোলক দেয়: এর নিউক্লিয়াসের একটি উত্তেজিত অবস্থা আছে, যাকে আইসোমার বলে, যা ভূমি অবস্থার চেয়ে মাত্র প্রায় ৮.৪ ইলেকট্রনভোল্ট ওপরে — এত কম যে লেজার সেখানে পৌঁছাতে পারে। প্রয়োজনীয় আলো শূন্যস্থান অতিবেগুনি অঞ্চলে, ১৪৮.৪ ন্যানোমিটারে।

লেখকদের মতে, এই নিউক্লীয় রূপান্তরের ওপর তৈরি একটি ঘড়ি মৌলিক মিথস্ক্রিয়ার সম্ভাব্য পরিবর্তনের প্রতি বিশেষভাবে সংবেদনশীল হবে, এবং ডার্ক ম্যাটার খোঁজায় সাহায্য করতে পারে। ক্যালসিয়াম ফ্লোরাইডের একটি স্বচ্ছ স্ফটিকে থোরিয়াম বসালে একটি ছোট কঠিন টুকরোয় বিপুল সংখ্যক শোষক নিউক্লিয়াস পাওয়া যায়: এটাই কঠিন-অবস্থার নিউক্লীয় ঘড়ির পথ।

প্রথম নয়, তবে এখানে সবচেয়ে দীর্ঘ সময় চলা

আগে কী করা হয়েছে, সে বিষয়ে গবেষণাপত্রটি সতর্ক। এর তথ্যসূত্রে অন্য দলগুলোর জানানো নিউক্লীয় প্রতিপ্রভা, সরাসরি লেজার-উত্তেজনা, ফ্রিকোয়েন্সি কম্ব বর্ণালিবীক্ষণ, অবিরাম অতিবেগুনি লেজার, শোষণ বর্ণালিবীক্ষণ, এমনকি নিউক্লীয় ফিডব্যাক লুপেরও উল্লেখ আছে। এই কাজ যা যোগ করে তা হলো একটি নির্দিষ্ট স্ফটিকে দীর্ঘ সময় ধরে চলা একটি ঘড়ি, এবং এর মাপা বর্ণালি ও ঘড়িটি আসলে যে কম্পাঙ্ক দেয় তার মধ্যে একটি যত্নশীল সংযোগ।

শোষণই মূল চাবিকাঠি। উত্তেজিত নিউক্লিয়াসের ক্ষয়ের অপেক্ষা না করে — যা একটি ধীর প্রক্রিয়া — দলটি মাপে স্ফটিকটি কতটা আলো গিলে ফেলে। এতে একটি দ্রুত সংকেত পাওয়া যায়, যা জানায় লেজারটি রেখার ঠিক ওপরে না পাশে।

নিউক্লিয়াসে পৌঁছাতে তিনবার দ্বিগুণ

চীনের বিজ্ঞান ও প্রযুক্তি বিশ্ববিদ্যালয়ের পেংফেই ওয়াং (Pengfei Wang), শু-ফেই ইন (Xu-Fei Yin), ইউ-আও চেন (Yu-Ao Chen) ও তাঁদের সহকর্মীরা, চীনা বিজ্ঞান একাডেমি ও ভিয়েনার TU Wien-এর সহযোগীদের সঙ্গে, ১,১৮৭ ন্যানোমিটারের একটি অবলোহিত লেজার থেকে শুরু করেন, যা একটি অতি-স্থিতিশীল আলোক-গহ্বরে স্থির করা। পরপর তিনবার কম্পাঙ্ক দ্বিগুণ করে এটিকে ৫৯৪, তারপর ২৯৭, তারপর ১৪৮.৪ ন্যানোমিটারে আনা হয়। এরপর প্রায় ৭৫০ পিকোওয়াট অতিবেগুনি আলো থোরিয়াম-মিশ্রিত স্ফটিকের ১.৮ মিলিমিটার পুরু একটি টুকরো পেরিয়ে যায়, যা X2 নামের একটি স্ফটিক থেকে কাটা। X2-এর অন্য টুকরোগুলো ভিয়েনা ও JILA-তে মাপা হয়েছে।

স্ফটিকের ভেতরে স্থানীয় বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র নিউক্লীয় রেখাটিকে কয়েকটি উপাদানে ভাগ করে দেয়। থোরিয়ামের এক ধরনের অবস্থানে দলটি এদের চারটিকে আলাদা করে চিনতে পারে, সঙ্গে দ্বিতীয় ধরনের অবস্থান থেকে একটি চওড়া অনুনাদ। সবচেয়ে প্রবল ও সবচেয়ে সরু রেখাটি, যার নাম b, মাত্র ৮৩ কিলোহার্জ চওড়া — প্রায় ২ × ১০¹⁵ হার্জ কম্পাঙ্কের ওপর।

একটি রেখায় ত্রিশ ঘণ্টা

ঘড়িটি চালাতে ব্যবস্থাটি রেখা b-এর দুই ঢাল যাচাই করে এবং প্রায় প্রতি ১০ সেকেন্ডে লেজারের কম্পাঙ্ক সামান্য সরায়। একটি ফ্রিকোয়েন্সি কম্ব, যার মানদণ্ড একটি হাইড্রোজেন মেজার এবং যা একটি স্ট্রনশিয়াম পারমাণবিক ঘড়ির সাপেক্ষে ক্রমাঙ্কিত, আউটপুট মাপে।

লুপটি ৩০ ঘণ্টা টিকে ছিল — ১০,৬১,০০০টি পরিমাপ-চক্র, যার মধ্যে মাত্র ২৯টি বাতিল হয়েছে।
ঘড়িটি তখনও লক থাকা অবস্থায় দলটি চালনা থামায়: ফোটনের হার প্রতি সেকেন্ডে ৫৭.৯ লাখ থেকে কমে ২৪.১ লাখে নেমেছিল, যার কারণ হিসেবে লেখকেরা দেখান গ্যাস নিঃসরণে অতিবেগুনি আলোর সঞ্চালন কমে যাওয়া।
রেখা b-এর মাপা কম্পাঙ্ক: ২০,২০,৪০,৭২,৯৮,৭৯৬.১৭ কিলোহার্জ, ০.১৩ কিলোহার্জ অনিশ্চয়তাসহ।
গড় নেওয়ার সময়ের সঙ্গে এর স্থিতিশীলতা বাড়ে এবং ১০,০০০ সেকেন্ড পরে ১.২৪ × ১০⁻¹³-এ পৌঁছায়।
আরেকটি উপাদান, রেখা c-এর ওপর ৬.৬ ঘণ্টার দ্বিতীয় একটি চালনাও সফল হয়েছে।

শোষণ বর্ণালি থেকে পড়া রেখার অবস্থান আর ঘড়ির দেওয়া কম্পাঙ্ক তাদের অনিশ্চয়তার সীমার মধ্যে মেলে। কক্ষ খুলে আলোকব্যবস্থা পুনর্বিন্যাস করার পর দলটি যখন আরও তিনবার ঘড়িটি চালু করে, তখন গড় কম্পাঙ্কগুলো ১.৬ কিলোহার্জের পরিসরে ছড়িয়ে ছিল।

একই স্ফটিক, তিনটি গবেষণাগার

তাপমাত্রার জন্য সংশোধনের পর, ভিয়েনা ও JILA-তে মাপা একই স্ফটিকের টুকরোর সঙ্গে নিজেদের টুকরো তুলনা করে দলটি রেখার একই নকশা ফিরে পায়। কিছু পার্থক্য থেকে যায়: রেখা b ভিয়েনার মানের চেয়ে ১১.৬ কিলোহার্জ এবং JILA-র চেয়ে ৬.৬ কিলোহার্জ ওপরে; রেখা c দুটোর চেয়েই প্রায় ৩০ কিলোহার্জ ওপরে। লেখকেরা এখনও বলতে পারছেন না এগুলো অবশিষ্ট তাপমাত্রা-ত্রুটি, লকিংয়ের পক্ষপাত, নাকি নমুনাগুলোর মধ্যে প্রকৃত পার্থক্য থেকে আসে।

শেষরেখা থেকে অনেক দূরে

সংখ্যাগুলোর প্রেক্ষাপট দরকার, আর গবেষণাপত্রটি তা দেয়। মানদণ্ড হিসেবে ব্যবহৃত হাইড্রোজেন মেজার ও স্ট্রনশিয়াম ঘড়ির মধ্যকার তুলনা নিজেই একই গড়-সময়ে থোরিয়াম ঘড়ির চেয়ে দশ গুণেরও বেশি স্থিতিশীল। অনিশ্চয়তার হিসাব স্পষ্টতই আংশিক, আর দীর্ঘ চালনার প্রথম ১৪.৭ ঘণ্টায় তাপমাত্রা লিপিবদ্ধ করা হয়নি। এই কাজের মূল্য সহনশীলতা ও আড়াআড়ি যাচাইয়ে: একটি নিউক্লীয় রূপান্তর, যা এক দিনেরও বেশি ধরে রাখা হয়েছে, এবং তিনটি গবেষণাগারে একই স্ফটিকের টুকরোর সঙ্গে তুলনা করা হয়েছে।