প্রোটন ক্ষয়

কণা পদার্থবিদ্যায় প্রোটন ক্ষয় তেজস্ক্রিয় ক্ষয় এর একটি প্রক্লপিত রুপ, যার ফলে প্রোটন ক্ষয় হয়ে অপেক্ষাকৃত হালকা কনায় পরিনত হয়, যেমন নিউট্রাল পিয়ন এবং পজিট্রন এ পরিনত হয়।[1] এই প্রকল্প ১৯৬৭-এ প্রথম অনুমান করেন আন্দ্রেই সাকরভ নামে এক বিজ্ঞানী । এখন পর্যন্ত এর কোন পরীক্ষিত প্রমাণ নেই।

জর্জি-গ্লাসো মডেল এ কণার জন্য দুর্বল আইসোস্পিন, দুর্বল হাইপারচার্জ, এবং বর্ণ আধান এর প্যাটার্ন। এখানে, একটি প্রটন, যা দুটি আপ কোয়ার্ক ও একটি ডাউন কোয়ার্কের মাধ্যমে গঠিত, তা এক্স বোসনের (তড়িৎ আধান -৪/৩) মাধ্যমে পিওনে রুপান্তরিত হয়, যা একটি আপ এবং এন্টি-আপ এবং একটি পজিট্রনের সমন্বয়ে তৈরী।

প্রমিত মডেল অনুযায়ী, প্রোটন (যা ব্যারিয়নের একটি ধরন) স্থায়ী হয় এর ব্যারিয়নিক সংখ্যা (কোয়ার্ক সংখ্যা) সংরক্ষিত হয় বলে । প্রোটন নিজে নিজেই অন্য কোন কণায় রূপান্তরিত হবেনা, কারন তারা সবচেয়ে হালকা ব্যারিয়ন (আর তাই সবচে কম শক্তিশালী)। পজিট্রন বিকিরন তেজস্ক্রিয় বিকিরনের এমন এক অবস্থা যাতে প্রোটন নিউট্রনে রূপান্তরিত হয়, তা প্রোটন ক্ষয় না। যদিও প্রোটন পরমানুর ভেতরে অন্যান্য কণার সাথে মিথঃস্ক্রিয়া করে।

কিছু প্রমিত মডেলের বাইরের একীভূতকরন তত্ত্ব ব্যারিয়ন নাম্বারের প্রতিসাম্যতা ভেঙ্গে দেয়, যা প্রোটনকে হিগস কণা, চৌম্বকীয় মনোপোল অথবা এক্স বোসন (যার অর্ধজীবন ১০^৩১ ১০^৩৬ বছর হয়) এর মাধ্যমে ক্ষয় হবার অনুমতি দেয়। আজ পর্যন্ত এই একীভূতকরন তত্ত্বের নতুন ঘটনাগুলোর উপর করা সব ভবিষ্যতবানী ভুল প্রমাণিত হয়েছে।

কোয়ান্টাম মধ্যাকর্ষণ হয়ত প্রোটন ক্ষয়ের ব্যাপারে তার বিস্তার অথবা পূর্ণজীবনের ক্ষেত্রে একটি স্থান নির্ধারন করে দিতে পারে, যা একীভূতকরণ তত্ত্বের ক্ষয় স্কেলের সীমারও বাইরে, যা সুপারসিমেট্রিতে অতিরিক্ত মাত্রা আনে।

প্রোটন ক্ষয় এবং ব্যারিয়নের সংখ্যা ১ এর থেকে অন্যরকম পালটানোর সাথে মিথস্ক্রিয়া ব্যতিতও আরো কিছু তাত্ত্বিক পদ্ধতি আছে। এর মধ্যে ২,৩ অথবা অন্য সংখ্যার বি এবং এল অতিক্রমতা, অথবা বি-এল অতিক্রামতাও রয়েছে। এরকম উদাহরনের মধ্যে রয়েছে নিওট্রন দোলন এবং উচ্চ শক্তি ও তাপমাত্রার ইলেক্ট্রোউইক স্ফেলেরন এনমালি যার ফলে প্রোটনের এন্টিলেপ্টনে পতিত হওয়া অথবা এর বিপরীত কিছু ঘটতে পারে।[2]

ব্যারিওজেনেসিস

আধুনিক পদার্থবিজ্ঞানের অন্যতম বৃহৎ সমস্যা হল মহাবিশ্বে ম্যাটার এর চেয়ে এন্টিম্যাটার এর প্রাধান্যতা। এই সম্পূর্ন মহাবিশ্বের হয়তো একটি অশূন্য ধনাত্মক ব্যারিয়ন সংখ্যা ঘনত্ব রয়েছে – যার মানে ম্যাটার আছে। যেহেতু জ্যোতির্বিদ্যার ক্ষেত্রে এটা ধরা হয় যে যে কণাগুলো আমরা দেখছি তার পদার্থবিদ্যা আমরা এখন যে পদার্থবিদ্যা পরিমাপ করি তা দিয়ে তৈরী, এটা ভাবা যায় যে সব মিলিয়ে ব্যারিয়ন সংখ্যা শূন্য হবার কথা, যেহেতু ম্যাটার ও এন্টিম্যাটার সমান পরিমানেই তৈরী হয়েছিল। এর ফলে কিছু সংখ্যক প্রতিসাম্যতা ভাঙ্গনকারী পদ্ধতি প্রস্তাবিত হয় যা কিছু নির্দিষ্ট অবস্থায় সাধারণ ম্যাটার তৈরীর পক্ষে যায়। এই অসাম্যতা অনেক ছোট হবার কথা, আর তা বিগ ব্যাং এর এক সেকেন্ডেরও কম সময়ের মধ্যে প্রতি ১০^১০ এর মধ্যে ১টি তৈরী হয়, কিন্তু বেশীরভাগ ম্যাটার ও এন্টিম্যাটার বিলুপ্ত হয়ে যায়, বাকী যা ছিল তা বৃহদাংশের বোসন সহ বর্তমান মহাবিশ্বের সকল ব্যারিয়নিক ম্যাটার। ২০১০ সালে ফার্মিল্যাব-এ একটি পরীক্ষার প্রতিবেদনে বলা হয়, যা দেখায় যে সেই অসাম্যতা আগের প্রস্তাবের চেয়েও অনেক বেশী। কণাদের সংঘর্ষ ঘটানো এক পরীক্ষনে দেখা যায় যে পরিমান ম্যাটার তৈরী হয়েছিল তা এন্টিম্যাটারের চেয়ে ১% বেশী ছিল। এই পার্থক্যের কারণ এখনো অজানা।[3]

বেশীরভাগ একীভুতকরন তত্ত্বই ব্যারিয়ন সংখ্যার প্রতিসাম্যতা ভেঙে দেয়, যার ফলে এই পার্থক্য তৈরী হতে পারে। যার ফলে অত্যাধিক ভারী এক্স বোসন অথবা হিগস বোসনের মধ্যকার বিক্রিয়া তৈরী হয়। এসব ঘটনা যে হারে ঘটে তা এক্স অথবা হিগস কণার অন্তর্বর্তী ভর দ্বারা মাপা হয়, তো যদি ধরে নেয়া হয় যে এসব বিক্রিয়ার ফলে ব্যারিয়ন সংখ্যার এত বিশালতা দেখা যায়, তবে একটি সর্বাধিক ভর মাপা যায় যার উর্ধ্বে সেই হার অনেক ধির হয়ে যা বর্তমানের ম্যাটারের উপস্থিতি বর্ণনা করে। এসব অনুমান থেকে ভবিষ্যতবানী করা যায় যে একটি বৃহৎ মাত্রার বস্তু অনিয়মিতভাবে স্বতঃস্ফূর্ত প্রোটন ক্ষয় প্রদর্শন করে।

পরীক্ষামূলক প্রমাণ

প্রোটন ক্ষয় ১৯৭০ এর দিকের বিভিন্ন একীভূতকরন তত্ত্বের কিছু অনুমানের ভবিষ্যৎবাণী, আরা আরেকটি হল চৌম্বকীয় মনোপোল এর উপস্থিতি। উভয় ধারনা নিয়েই ১৯৮০ এর দিকে অনেক পরীক্ষা নিরীক্ষা করা হয়। এখন পর্যন্ত ঐসব ঘটনা পর্যবেক্ষনের সকল প্রচেষ্টা ব্যাহত হয়েছে; যাই হোক, এসব পরিক্ষার মাধ্যমে প্রোটনের অর্ধজীবনের নীম্নসীমা পাওয়া গেছে। বর্তমানে সবচেয়ে যথাযথ ফল আসে জাপানের সুপার-ক্যামিওক্যান্ডে পানির চেরনোকভ বিকিরন থেকে। একটি ২০১৫ এর একটি বিশ্লেষণ যা পজিট্রন ক্ষয় থেকে প্রোটনের অর্ধজীবনের নিম্নসীমা ১.৬৭*১০^৩৪ বলে দাবী করে[4] এবং একইভাবে ২০১২ এর একটি বিশ্লেষণ যা [[আন্টিমিউয়ন]] ক্ষয় থেকে প্রোটনের অর্ধজীবনের নিম্নসীমা ১.০৮*১০^৩৪ বলে দাবী করে[5], যা সুপারসিমেট্রি এর ভবিষ্যৎবাণীর অনেক কাছের মান (১০^৩৪ - ১০^৩৬)[6]। এর একটি উৎকৃষ্ট ভার্শন হাইপার ক্যামিওক্যান্ডে আনা হবে যার সংবেদনশীলতা সুপার-ক্যামিওক্যান্ডে এর চে ৫-১০ গুন বেশী হবে।

তাত্ত্বিক প্রেরণা

প্রোটন ক্ষয়ের পর্যবেক্ষনমূলক প্রমাণের ঘাটতি থাকা সত্ত্বেও কিছু একীভুতকরন তত্ত্ব যেমন SO-5 জর্জি গ্লাসগো মডেল এবং SO-10, এবং তাদের সুপারসিমেট্রিক্যাল চলকদের এটার দরকার পরে। এসব তত্ত্বানুযায়ী প্রোটনের ১০^৩১ থেকে ১০^৩৬ বছরের অর্ধজীবন থাকে এবং তা পজিট্রন ও একটি নিউট্রাল প্লট যা দুটি গামা রে ফোটন এ ক্ষয়প্রাপ্ত হয়ঃ

p⁺ → e⁺ + π⁰

π⁰ → 2γ

যেহেতু পজিট্রন একটি এন্টিলেপ্টন তাই এই ক্ষয় বি-এল নাম্বারকে রক্ষা করে, যা বেশীরভাগ একীভূতকরন তত্ত্বে সংরক্ষিত।

উভয়কেই যখন একীভূতকরনের ভবিষ্যৎবাণী করা ম্যাগ্নেটিক মনোপোল এর মাধ্যমে ক্যাটালাইজ করা হয় তখন বাড়তি ক্ষয়ের ধরনও পাওয়া যায়।[7] যদিও এই পদ্ধতিটি পরীক্ষামূলকভাবে দেখা হয়নি, এটি অদূর ভবিষ্যতে পরীক্ষা করার মত অবস্থায় আছে, যা মেগাটন স্কেলে মাপা হবে। এসব ডিটেক্টরের মধ্যে হাইপার-ক্যামিওক্যান্ড ও আছে।

প্রাথমিক একীভূতকরন তত্ত্ব যেমন জর্জি-গ্লাশো মডেল (যা প্রোটন ক্ষয়ের ব্যাপের বলা প্রথম স্থায়ী তত্ত্ব) যা বলে প্রোটনের অর্ধজীবন ১০^৩১ বছর। ১৯৯০ সালের কিছু পরীক্ষা থেকে দেখা যায় প্রোতনের অর্ধজীবন ১০^৩২ বছরের কম হতেই পারেনা। অনেক বইয়েই তখন বলা হয়েছিল এটা ব্যারিয়নিক ম্যাটারের ক্ষয় পাওয়ার সময়কে নির্দেশ করে। সদ্য পাওয়া কিছু তথ্য বলে প্রোটনের অর্ধজীবন ১০^৩৪ – ১০^৩৫ বছর। SUSY মডেলে বলা প্রোটনের সর্বোচ্চ অর্ধজীবন ৬*১০^৩৯ [8], যেখানে অন্য তত্ত্ব বলে সেটা ১.৪*১০^৩৬ বছর।[8]

যদিও এই ঘটনাকে “প্রোটন ক্ষয়” বলা হয়, এর প্রভাব পরমানুর নিউক্লেই এর নিউট্রন বন্ধন পর্যন্ত থাকে। মুক্ত নিউট্রন (যেগুলো পরমানুর নিউক্লেই এ থাকেনা) তারা প্রোটনে (এবং একটি ইলেক্ট্রন ও এন্টিনিউট্রিনো) বিটা ক্ষয় এর মাধ্যমে ক্ষয়প্রাপ্ত হয়। মুক্ত নিউট্রনের অর্ধজীবন দূর্বল মিথস্ক্রিয়ার কারণে ১০ মিনিট হয় (৬১০.২ +/- ০.৮ সেকেন্ড)। নিউক্লিয়াসের ভেতরের নিউট্রনগুলোর অর্ধজীবন একটু বেশীই হয় – প্রায় প্রোটনের সমান।[9]

প্রোটনের সম্ভাব্য জীবন

তাত্ত্বিক শ্রেণী	প্রোটনের জীবন (বছর)[10]
মিনিমাল SU(5) (জর্জি গ্লাসো)	১০^৩০ ... ১০^৩১
মিনিমাল SUSY SU(5)	১০^২৮ ... ১০^৩২
SUGRA SU(5)	১০^{৩২ ...} ১০^৩৪
SUSY SU(5)	~১০^৩৪
মিনিমাল (ভিক্তি) SO(10) - Non SUSY	< ~১০^৩৪ (সর্বোচ্চ সীমা)
SUSY SO(10)	১০^{৩২ ...} ১০^৩৫
SUSY SO(10) G-224	২·১০^৩৪
Flipped SU(5)	১০^{৩৫ ...} ১০^৩৬
SUSY SO(10) - পাঁচ মাত্রা	১০^{৩৪ ...} ১০^৩

৬ মাত্রার প্রোটন ক্ষয় পরিচালক

প্রোটন ক্ষয়. এসব চিত্র এক্স বোসন ও হিগস বোসন নির্দেশ করে।
ছয় মাত্রার প্রোটন ক্ষয়
এক্স বোসন (২,৩)
¹⁄₆

৫ মাত্রার প্রোটন ক্ষয় পরিচালক

বর্ধিত সুপারসিমেট্রিক তে, আমরা ভরের ট্রিপলটিনোর পরিবর্তে মাত্রা ৫ পেতে পারি যাতে দুটি ফার্মিয়ন দুটি এস ফার্মিয়ন থাকবে। এস ফার্মিয়ন দুটি ফার্মিয়নের সাথে একটি গজিনো অথবা হিগসিনো অথবা গ্রাভিটানো পরিবর্তন করবে। সম্পূর্ন ফাইনম্যান ডায়াগ্রাম এর একতি লুপ থাকে। ক্ষয়ের মাত্রাকে ${\frac {1}{MM_{SUSY}}}$ দ্বারা প্রকাশ করা হয়, যেখানে M হল ভরের স্কেল।

৪ মাত্রার প্রোটন ক্ষয় পরিচালক

ম্যাটার প্যারিটির অনুপস্থিতিতে প্রমিত মডেলের সুপারসিমেট্রিক এক্সটেনশন এস ডাউন কোয়ার্ক ভরের বর্গমূল নির্দেশ করে। এর কারন মাত্রা ৪ এর অপারেটর qld͂^c এবং u^cd^cd͂^c প্রোটন ক্ষয়কে ${\frac {1}{M_{SUSY}^{2}}}$ দ্বারা প্রকাশ করা হয়।

মিডিয়ায় প্রোটন ক্ষয়

১৯৮০ সালে যখন ওডি এলেন তার সিনেমা Stardust Memories এ "Did anybody read on the front page of The Times that matter is decaying?" (কেউ কি দি টাইমসের প্রথম পৃষ্ঠায় পড়েছো যে বস্তুও ক্ষয় হচ্ছে?) উক্তিটি ব্যবহার করেন, তখন প্রোটন ক্ষয় নিয়ে মিডিয়ায় অনেক আলোচনা হয়। "Big Bang" এর Law and Order নামক এপিসোডে একজন বিজ্ঞানী প্রোটন ক্ষয়ের কথা বলেন। এছাড়া জেরি স্পিনেলির উপন্যাস "Smiles to Go" তেও প্রোটন ক্ষয়ের কথা বলেন।

তথ্যসূত্র

Radioactive decays by Protons. Myth or reality?, Ishfaq Ahmad, The Nucleus, 1969. pp 69–70
"Bloch Wave Function for the Periodic Sphaleron Potential and Unsuppressed Baryon and Lepton Number Violating Processes", S.H. Henry Tyne & Sam S.C. Wong. (2015). Phys. Rev. D, 92(4), 045005 (2015-08-05). DOI: 10.1103/PhysRevD.92.045005
V.M. Abazov; ও অন্যান্য (২০১০)। "Evidence for an anomalous like-sign dimuon charge asymmetry"। Physical Review D। 82 (3)। arXiv:1005.2757 । doi:10.1103/PhysRevD.82.032001। বিবকোড:2010PhRvD..82c2001A।
Bajc, Borut; Hisano, Junji; Kuwahara, Takumi; Omura, Yuji (২০১৬)। "Threshold corrections to dimension-six proton decay operators in non-minimal SUSY SU(5) GUTs"। Nuclear Physics B। 910: 1। arXiv:1603.03568 । doi:10.1016/j.nuclphysb.2016.06.017। বিবকোড:2016NuPhB.910....1B।
H. Nishino; Super-K Collaboration (২০১২)। "Search for Proton Decay via Error no symbol defined → Error no symbol definedError no symbol defined and Error no symbol defined → Error no symbol definedError no symbol defined in a Large Water Cherenkov Detector"। Physical Review Letters। 102 (14): 141801। arXiv:0903.0676 । doi:10.1103/PhysRevLett.102.141801। PMID 19392425। বিবকোড:2009PhRvL.102n1801N।
"Proton lifetime is longer than 10³⁴ years". www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp. 25 November 2009.
B. V. Sreekantan (১৯৮৪)। "Searches for Proton Decay and Superheavy Magnetic Monopoles" (PDF)। Journal of Astrophysics and Astronomy। 5 (3): 251–271। doi:10.1007/BF02714542। বিবকোড:1984JApA....5..251S।
Nath, Pran; Fileviez Pérez, Pavel (২০০৭)। "Proton stability in grand unified theories, in strings and in branes"। Physics Reports। 441 (5–6): 191। arXiv:hep-ph/0601023 । doi:10.1016/j.physrep.2007.02.010। বিবকোড:2007PhR...441..191N।
K.A. Olive; ও অন্যান্য (২০১৪)। "Review of Particle Physics – N Baryons" (PDF)। Chinese Physics C। 38 (9): 090001। arXiv:astro-ph/0601168 । doi:10.1088/1674-1137/38/9/090001। বিবকোড:2006JPhG...33....1Y।
"Grand Unified Theories and Proton Decay", Ed Kearns, Boston University, 2009, page 15. http://physics.bu.edu/NEPPSR/TALKS-2009/Kearns_GUTs_ProtonDecay.pdf

বহিঃসংযোগ

Proton decay at Super-Kamiokande
Pictorial history of the IMB experiment
Luciano Maiani (৮ ফেব্রুয়ারি ২০০৬)। The problem of proton decay (PDF)। Third NO-VE International Workshop on Neutrino Oscillations in Venice। Venice।

টেমপ্লেট:Proton decay experiments