ضد مادہ کتنی آسانی سے بنتا ہے؟

کیا ضد مادہ (antimatter) عام مادے کی طرح گرتا ہے؟ CERN کے اینٹی پروٹان سست کار، AD/ELENA، پر ہونے والے تجربات طبیعیات کی بنیادی تشاکلات کو اینٹی ہائیڈروجن کے ذریعے پرکھتے ہیں: ایک اینٹی پروٹان جو ایک پوزیٹران سے بندھا ہو، یعنی ہائیڈروجن ایٹم کا آئینہ عکس۔ ان میں GBAR — “Gravitational Behaviour of Antimatter at Rest” — اس لیے بنایا گیا ہے کہ ناپا جائے کہ اینٹی ہائیڈروجن زمین کی کششِ ثقل میں کتنی تیزی سے اسراع پاتا ہے۔

GBAR کا راستہ غیر معمولی ہے۔ دوسرے تجربات اینٹی پروٹانز اور پوزیٹرانز کو ایک جال (trap) میں ملا کر اینٹی ہائیڈروجن بناتے ہیں۔ اس کے بجائے GBAR پوزیٹرونیم (Ps) کے ساتھ بار کے تبادلے (charge exchange) کے دو مراحل کا منصوبہ رکھتا ہے، جو ایک الیکٹران اور ایک پوزیٹران سے بنا ایک انوکھا ایٹم ہے:

1. p̄ + Ps → H̄ + e⁻: ایک اینٹی پروٹان پوزیٹران کو پکڑ کر اینٹی ہائیڈروجن بن جاتا ہے؛
2. H̄ + Ps → H̄⁺ + e⁻: اینٹی ہائیڈروجن دوسرا پوزیٹران پکڑ کر ایک مثبت آئن بن جاتا ہے۔

اس آئن کو بیریلیم آئنوں سے ٹھنڈا کیا جا سکتا ہے، پھر ایک لیزر اضافی پوزیٹران الگ کر دیتا ہے، اور پیچھے تقریباً 10 مائیکرو کیلون پر اینٹی ہائیڈروجن ایٹم رہ جاتے ہیں — جو آزادانہ گرنے کے تجربے کے لیے کافی ٹھنڈے ہیں۔

امکان جاننا

اشتراکی ٹیم 2023 میں ہی دکھا چکی تھی کہ مرحلہ 1 اپنی بنیادی حالت والے پوزیٹرونیم کے ساتھ کام کرتا ہے۔ لیکن وہ یہ نہیں بتا سکتی تھی کہ تعامل کتنا ممکن ہے — ایک مقدار جسے ماہرینِ طبیعیات عرضی تراش (cross section) کہتے ہیں، یعنی وہ مؤثر ہدفی رقبہ جس پر اینٹی پروٹان کا لگنا ضروری ہے۔ اس کے بغیر کوئی پیش گوئی نہیں کر سکتا کہ مکمل تجربہ کتنے ایٹم پیدا کرے گا۔

عام مادے کے ساتھ اس کا مساوی تعامل — ایک پروٹان جو پوزیٹران لے کر ہائیڈروجن بن جائے — صرف ایک بار ناپا گیا تھا، 1997 میں میریسن اور ان کے ساتھیوں نے، 11 سے 16 کلو الیکٹران وولٹ کے درمیان۔

ایک ننھی کھوکھ میں دو شعاعیں

2023 سے ٹیم نے اپنی پیداوار کی شرح دس گنا بڑھا دی ہے۔ ایک طرف، ایک چھوٹے اسراع گر (accelerator) سے آنے والے پوزیٹرانز جالوں میں جمع کیے جاتے ہیں: ہر دو منٹ بعد اینٹی پروٹانز کی دو بوچھاڑوں کے درمیان تقریباً 30 کروڑ۔ ان میں سے لگ بھگ 10 کروڑ ایک ایسی کھوکھ تک پہنچتے ہیں جو تقریباً 2 ملی میٹر چوڑی اور 2 سینٹی میٹر لمبی ہے، اور جس پر مسام دار سلیکا کی تہہ ہے جو ان میں سے کچھ کو پوزیٹرونیم میں بدل دیتی ہے۔ ہر بوچھاڑ تقریباً 60 لاکھ پوزیٹرونیم ایٹموں کا ایک نیم محصور بادل چھوڑ جاتی ہے۔

دوسری طرف، ELENA ایک کروڑ بیس لاکھ (12 ملین) اینٹی پروٹانز کے گچھے فراہم کرتا ہے۔ GBAR انہیں سست کرتا ہے، قید کرتا ہے، الیکٹرانز سے ٹھنڈا کرتا ہے، پھر 50 سے 60 لاکھ کے گچھے 4 یا 6 کلو الیکٹران وولٹ پر کھوکھ میں سے داغتا ہے، اس وقت کی پابندی کے ساتھ کہ وہ پوزیٹرونیم کے بادل کو پار کریں۔ جو بھی اینٹی ہائیڈروجن بنتا ہے وہ برقی طور پر غیر جانبدار ہوتا ہے: وہ سیدھا 1.6 میٹر آگے ایک ڈیٹیکٹر تک اڑ جاتا ہے، جبکہ بچ جانے والے اینٹی پروٹانز کو ایک طرف موڑ دیا جاتا ہے۔

سیکڑوں ضد ایٹم، ایک عدد

پوزیٹرانز کے ساتھ اور ان کے بغیر ہزاروں بوچھاڑوں کا موازنہ کر کے ڈیٹیکٹر نے 6 keV پر 379 ± 35 اور 4 keV پر 69 ± 19 اینٹی ہائیڈروجن ایٹم گنے — ڈیٹیکٹر کی کارکردگی کی اصلاح کے بعد تقریباً 392 اور 71۔ اس میں شامل اینٹی پروٹانز اور پوزیٹرونیم ایٹموں کی محتاط گنتی، اور یہ کہ دونوں نبضیں (pulses) مکان و زمان میں کتنی اچھی طرح ایک دوسرے پر آئیں، ملا کر یہ عرضی تراش حاصل ہوتی ہے:

• 6.2 keV پر (14.1 ± 1.3) × 10⁻¹⁶ cm²؛
• 4.15 keV پر (8.7 ± 2.4) × 10⁻¹⁶ cm² (شماریاتی غیر یقینیاں؛ نظامی غیر یقینیاں مقالے میں الگ درج ہیں)۔

یہ اینٹی پروٹان شعاعوں سے کی گئی بار کے تبادلے کی عرضی تراش کی پہلی پیمائش ہے، اور اس کی غیر یقینیاں عام مادے والی 1997 کی پیمائش سے کم ہیں۔

نظریہ امتحان میں کامیاب

نام نہاد بورن تقریب (Born approximation) پر مبنی ابتدائی حسابات ایک دوسرے سے متفق نہیں تھے — مصنفین کے مطابق یہ حیران کن نہیں، کیونکہ 6 keV پر مرکزِ کمیت کے حوالہ چوکھٹے میں تصادم کی توانائی صرف تقریباً 6.5 الیکٹران وولٹ ہے۔ دو جدید طریقے تین اجسام کا مکمل کوانٹم مسئلہ حل کرتے ہیں: Convergent Close Coupling طریقہ اور فادیئف–مرکوریئف مساوات (Faddeev–Merkuriev equations)۔ یہ ایک دوسرے سے متفق ہیں اور، ٹیم کے مطابق، نئے اعداد و شمار سے “بہترین مطابقت” دکھاتے ہیں۔

اگلا قدم: آئن، پھر گرنا

یہ ابھی کششِ ثقل کا امتحان نہیں ہے۔ GBAR کا اگلا قدم دوسرے تعامل کو ناپنا ہے، جو اینٹی ہائیڈروجن آئن بناتا ہے، اور اس کی ابتدا عام مادے میں اس کے مماثل تعامل سے ہوگی، ELENA سے حاصل ہونے والے منفی ہائیڈروجن آئنوں کے ساتھ۔ دونوں شرحیں مل کر طے کریں گی کہ تجربہ کتنے انتہائی ٹھنڈے ایٹم گرا سکتا ہے — اور یوں یہ کتنی درستی سے بتا سکے گا کہ آیا ضد مادہ، مادے کی طرح گرتا ہے۔