একবারে একটি পানির আয়ন: ঠান্ডায় হাইড্রোজেন ডয়টেরিয়ামকে হারায়

তারাদের মাঝে, যে মেঘগুলোতে তাপমাত্রা কয়েক কেলভিনে নেমে যেতে পারে — অর্থাৎ পরম শূন্যের মাত্র কয়েক ডিগ্রি ওপরে — সেখানে রসায়ন চলে মূলত আধানযুক্ত ও নিস্তড়িৎ অণুর মধ্যে বিক্রিয়ার মাধ্যমে, যেগুলো শুরু হতে প্রায়ই কোনো শক্তির দরকার হয় না। এর একটি গুরুত্বপূর্ণ চরিত্র হলো পানির ক্যাটায়ন (ধনাত্মক আধানযুক্ত একটি পানির অণু), H₂O⁺, যা আন্তঃনাক্ষত্রিক গ্যাসে পানি তৈরির পথের একটি মধ্যবর্তী ধাপ। যখন এটি HD-র মুখোমুখি হয় — এমন একটি হাইড্রোজেন অণু যার একটি পরমাণু ডয়টেরিয়াম, অর্থাৎ হাইড্রোজেনের ভারী রূপ — তখন এটি দুটির যেকোনো একটি পরমাণু ছিনিয়ে নিতে পারে:

• H নিয়ে H₃O⁺ হয়ে যাওয়া, একটি D ছেড়ে দিয়ে;
• D নিয়ে H₂DO⁺ হয়ে যাওয়া, একটি H ছেড়ে দিয়ে।

বিক্রিয়া কোন পথে যায়, তা ঠিক করে মহাকাশের অণুগুলোর মধ্যে ডয়টেরিয়াম কীভাবে ভাগ হয়, অর্থাৎ তার “বিভাজন” (fractionation)। আগের পরীক্ষাগুলো দেখিয়েছিল, এই ভারসাম্য সংঘর্ষের শক্তির ওপর — অর্থাৎ স্থানীয় তাপমাত্রার ওপর — খুব বেশি নির্ভর করে।

গবেষণাগারগুলো থেমে গিয়েছিল 350 কেলভিনে

আগের পরিমাপগুলো 0.03 থেকে 10 ইলেকট্রনভোল্ট পর্যন্ত সংঘর্ষ-শক্তি জুড়ে ছিল। এর সবচেয়ে কমটি, 0.03 eV, প্রায় 350 কেলভিনের গ্যাসে সংঘর্ষের সাধারণ শক্তি: ঠান্ডা আণবিক মেঘের চেয়ে বহু মাত্রা (orders of magnitude) বেশি গরম। লেখকদের যুক্তি, নিচের দিকে অনুমান টেনে নেওয়া ঝুঁকিপূর্ণ: ঠান্ডায় টানেলিংয়ের (tunnelling) মতো কোয়ান্টাম প্রভাব নির্ণায়ক হয়ে উঠতে পারে। নিম্ন তাপমাত্রার যে একমাত্র সংখ্যাটি তাঁরা জানেন, H₃O⁺-এর পক্ষে 57% বনাম 43%, সেটি এসেছিল এমন একটি ফাঁদ থেকে যা 13 কেলভিন পর্যন্ত পৌঁছাতে পারত, কিন্তু সেই পরিমাপের সঠিক তাপমাত্রা কখনো প্রকাশ করা হয়নি।

একটি আয়ন, একটি সঙ্গী

বাজেল বিশ্ববিদ্যালয়ের নন্দিতা সুনীল কুমার (Nanditha Sunil Kumar), প্রেরণা পালিওয়াল (Prerna Paliwal), শ্টেফান ভিলিচ (Stefan Willitsch) ও সহকর্মীরা, শিআন (চীন)-এর নর্থওয়েস্ট ইউনিভার্সিটির আনইয়াং লি (Anyang Li), নিউ মেক্সিকো বিশ্ববিদ্যালয়ের (যুক্তরাষ্ট্র) হুয়া গুও (Hua Guo) এবং আরও কয়েকজনের সঙ্গে মিলে, বিক্রিয়াটি একবারে একটি অণু ধরে দেখার একটি উপায় তৈরি করেছেন।

তাঁদের রেডিও-কম্পাঙ্কের আয়ন-ফাঁদটি রয়েছে 5.4 কেলভিনে, দুটি ঠান্ডা বিকিরণ-আবরণের ভেতরে, প্রায় 4 × 10⁻¹⁴ মিলিবারের শূন্যস্থানে। প্রতিটি চক্র শুরু হয় কয়েক ডজন ক্যালসিয়াম আয়ন দিয়ে, যেগুলোকে লেজার দিয়ে ঠান্ডা করা হয় যতক্ষণ না তারা কুলম্ব স্ফটিক নামের একটি সুশৃঙ্খল বিন্যাসে জমে যায়। তারপর একটি লেজার স্পন্দন জলীয় বাষ্পের একটি ধারার একটি অণুকে স্ফটিকের ভেতরে একটি একক H₂O⁺ আয়নে পরিণত করে। লেজারের আলোয় ক্যালসিয়াম আয়নগুলো জ্বলে; পানির আয়নটি জ্বলে না, তাই একটি কালো বিন্দু হিসেবে দেখা যায়। শুধু ঠান্ডা ক্যালসিয়াম আয়নগুলোর সঙ্গে মিথস্ক্রিয়ার ফলেই এটি কেলভিনের কয়েক হাজার ভাগের এক ভাগে নেমে আসে। এরপর দলটি ক্যালসিয়াম আয়নগুলো বের করে দেয়, যতক্ষণ না কেবল একটি জোড়া বাকি থাকে: একটি ক্যালসিয়াম, একটি পানির আয়ন।

পরীক্ষার ব্যবস্থা (বাঁয়ে), একটি ক্যালসিয়াম আয়ন ও কালো পানির আয়নে নেমে আসা ক্যালসিয়াম স্ফটিক (মাঝখানে), আর বিক্রিয়ার মুহূর্ত: ক্যালসিয়াম আয়নের কাঁপুনি থেমে যায় (ডানে)। — চিত্র 1, Sunil Kumar et al. (2026), arXiv:2610.32904.

প্রায় 97% বিশুদ্ধ HD গ্যাস ধীরে ধীরে ভেতরে ঢোকানো হয়। আয়নের কাছে পৌঁছানোর আগে এর অণুগুলো ঠান্ডা দেয়ালে বহুবার ধাক্কা খায় ও আটকে যায়, যতক্ষণ না তারা দেয়ালের 5.4 কেলভিনে থিতু হয়। সংঘর্ষের শক্তি প্রায় পুরোটাই আসে HD অণুগুলোর নড়াচড়া থেকে, আয়নটি যোগ করে খুবই সামান্য: গড়ে তা দাঁড়ায় 0.6 মিলিইলেকট্রনভোল্ট (ইলেকট্রনভোল্ট হলো একক কণার শক্তির একটি একক), যা ওপরের 350 কেলভিনের একই মাপনীতে প্রায় 7 কেলভিনের সমান।

না ছুঁয়েই উৎপাদ ওজন করা

কোন উৎপাদ তৈরি হলো, তা কীভাবে বোঝা যাবে? তার ভর দিয়ে। আয়ন-জোড়াটি ফাঁদ বরাবর এমন একটি কম্পাঙ্কে কাঁপে যা কালো আয়নটির ভরের ওপর নির্ভর করে: H₂O⁺ থাকলে 531.9 কিলোহার্ৎজ, H₃O⁺ থাকলে 529.2, H₂DO⁺ থাকলে 526.4। দলটি জোড়াটিকে 531.9 kHz-এ ঝাঁকায়; ক্যালসিয়াম আয়নের ছবি ঝাপসা হয়ে যায়। পানির আয়নটি বিক্রিয়া করলে তার ভর বদলে যায়, ঝাঁকুনি আর কাজ করে না এবং ছবি স্পষ্ট হয়ে ওঠে। বাকি দুটি কম্পাঙ্ক চেষ্টা করলে উৎপাদটি ধরা পড়ে।

বিক্রিয়া সাধারণত ঘটে প্রায় 100 সেকেন্ড পরে। শূন্যস্থানে থেকে যাওয়া হাইড্রোজেনও আয়নটিকে H₃O⁺-এ পরিণত করতে পারে, তবে গড়ে প্রায় 4.5 ঘণ্টা পরে, তাই গণনায় এর প্রভাব খুবই সামান্য।

271 বনাম 170

16 দিনে দলটি 441টি বিক্রিয়া নথিভুক্ত করে: 271টি H₃O⁺ এবং 170টি H₂DO⁺। যেহেতু গ্যাসের প্রায় 3% ছিল সাধারণ হাইড্রোজেন, H₂, যা কেবল H₃O⁺ দিতে পারে, তাঁরা এর প্রত্যাশিত ভাগটি বাদ দেন। ফলাফল: 1.50 ± 0.15 অনুপাত, অর্থাৎ প্রায় 60% H₃O⁺ বনাম 40% H₂DO⁺। ঠান্ডায় হাইড্রোজেন স্থানান্তর জেতে, যেমনটি উচ্চতর শক্তিতেও দেখা গিয়েছিল, যদিও তার কয়েকটির তুলনায় কম জোরে।

বাঁয়ে, 16 দিনের প্রতিটি দিনে গোনা উৎপাদ ও সেদিনের অনুপাত। ডানে, সংঘর্ষ-শক্তির বিপরীতে অনুপাত: নতুন পরিমাপটি (নীল বর্গ) আগের পরীক্ষাগুলোর (ধূসর) চেয়ে অনেক কম শক্তিতে, এবং নতুন সিমুলেশনগুলোর (লাল ত্রিভুজ) ঠিক পাশে। — চিত্র 2, Sunil Kumar et al. (2026), arXiv:2610.32904.

একটি কূপে আটকা

ফলাফলটি ব্যাখ্যা করতে দলটি সংঘর্ষের কম্পিউটার সিমুলেশন চালায়: 0.9 মিলিইলেকট্রনভোল্ট থেকে 0.9 ইলেকট্রনভোল্ট পর্যন্ত, প্রতিটি সংঘর্ষ-শক্তিতে 20,000টি সিমুলেটেড সংঘর্ষ (গতিপথ)। পূর্বাভাসিত অনুপাত শক্তির সঙ্গে বাড়ে, প্রায় 40 থেকে 80 মিলিইলেকট্রনভোল্টে শীর্ষে পৌঁছায়, তারপর কমে।

দুটি প্রক্রিয়া প্রতিযোগিতা করে। উচ্চ শক্তিতে বিক্রিয়াটি সরাসরি: একটিমাত্র দ্রুত পাসে পরমাণুটি ছিনিয়ে নেওয়া হয়, সঙ্গীরা একসঙ্গে আটকে থাকে না। নিম্ন শক্তিতে বেশিরভাগ সংঘর্ষ বিক্রিয়ার আগে শক্তি-ভূদৃশ্যের একটি খাদে কিছুক্ষণ আটকে যায় — পারস্পরিক আকর্ষণে একসঙ্গে ধরা থাকে, গর্তে পড়া মার্বেলের মতো। সেখানে আঘাতের শক্তি অস্থায়ী জটিলের (complex) কম্পনে ছড়িয়ে পড়ে, আর হাইড্রোজেনের প্রতি ঝোঁক ফিকে হয়ে যায়। জটিলটি যত বেশি সময় টেকে, ঝোঁক তত দুর্বল: প্রায় 10 কেলভিনের সিমুলেশনে, আটকে যাওয়া সংঘর্ষগুলোর মধ্যে অনুপাত সবচেয়ে ছোট অবস্থানের জন্য 1.35 থেকে কমে সবচেয়ে দীর্ঘ অবস্থানের জন্য 1.21-এ নামে।

একটি ফারাক যা খোলা রইল

সিমুলেশন 0.9 মিলিইলেকট্রনভোল্টে (প্রায় 10 কেলভিন) দেয় 1.15; পরীক্ষা দেয় 1.50। লেখকেরা একে গুণগত মিল বলছেন। ফারাকটি আসতে পারে সিমুলেশনে বাদ পড়া কোয়ান্টাম প্রভাব থেকে, যেমন হাইড্রোজেনের টানেলিং, অথবা গণনা করা শক্তি-ভূদৃশ্যের ভুল থেকে। এটি গ্যাস থেকেও আসতে পারে: প্রায় 10 কেলভিনের নিচে H₂ ও HD দেয়ালে এবং অবশিষ্ট গ্যাস পাম্প করে সরাতে ব্যবহৃত সক্রিয় কাঠকয়লায় ভিন্নভাবে আটকে যেতে পারে, আর এই তাপমাত্রায় সেই কাঠকয়লা কেমন আচরণ করে তা অজানা। লেখকেরা লিখেছেন, ধরে নেওয়া 3%-এর চেয়ে বেশি H₂ যদি আয়নের কাছে পৌঁছায়, তবে মাপা 1.50 অনুপাতটি বাড়িয়ে ধরা হতে পারে।