in

চার্ম ও স্ট্রেঞ্জ কোয়ার্কের গল্প

স্ট্যান্ডার্ড মডেলে(১)  বস্তুর গঠনের জন্য দায়ী কণা তথা ম্যাটার পার্টিকেলের মাঝে অন্যতম হলো কোয়ার্ক। ফার্মিয়ন শ্রেণির এই কোয়ার্ক কণাদের সর্বমোট ৬টি ভিন্ন ভিন্ন ফ্লেভার আছে। এদের নাম হলো আপ কোয়ার্ক, ডাউন কোয়ার্ক, চার্ম কোয়ার্ক, স্ট্রেঞ্জ কোয়ার্ক, টপ কোয়ার্ক ও বটম কোয়ার্ক। আজকে আমারা চার্ম ও স্ট্রেঞ্জ কোয়ার্ক সম্পর্কে জানবো। চার্ম ও স্ট্রেঞ্জ কোয়ার্ক নিয়ে প্রথমেই বলে রাখা ভাল, নামকরণে এদের নামের ইংরেজি অর্থ ভূমিকা রাখে না। এগুলো পরিচয়জ্ঞাপক নাম মাত্র।

কণা-পদার্থবিদ্যার স্ট্যান্ডার্ড মডেল থেকে দেখা যায় চার্ম ও স্ট্রেজ কোয়ার্ক ২য় প্রজন্মের(২) কোয়ার্ক কণা। ১৯৬১ থেকে ১৯৬৪ সালের মাঝে যখন এইট-ফোল্ড তত্ত্ব(৩) গঠিত হয় এবং তা থেকে বিজ্ঞানী মারি গেলম্যান হ্যাড্রনদের(৪) নতুন একটি গাঠনিক মডেল প্রকাশ করেন। তখন কোয়ার্কের ৬টি ফ্লেভারের কথা কেউ জানতো না। মনে করা হতো, সকল হ্যাড্রন কণাই আপ ও ডাউন কোয়ার্ক সমৃদ্ধ এবং কিছু কিছু কণাতে স্ট্রেঞ্জ কোয়ার্ক রয়েছে।

এইট ফোল্ড তত্ত্ব ব্যাখ্যা করতে গিয়ে ১৯৬৪ সালে মারি গেলম্যান ও জর্জ জিউগ সর্বপ্রথম এই কণার তাত্ত্বিক ভবিষ্যদ্বাণী করেন। এইট ফোল্ড তত্ত্বের এই ভবিষ্যদ্বাণী অনুসরণ করে ১৯৬৮ সালে স্ট্যানফোর্ড লিনিয়ার একসিলারেটর সেন্টার (SLAC) আপ, ডাউন এবং স্ট্রেঞ্জ কোয়ার্কের অস্তিত্ব সম্পর্কে বিজ্ঞানীরা নিশ্চিত হন। স্ট্রেঞ্জ কণার ভবিষ্যদ্বাণীতে কণাদের স্ট্রেঞ্জনেস নামক একটি ধর্মের কথা স্মরণীয়। চার্জ, ভর বা স্পিন যেমন কণাদের মৌলিক বৈশিষ্ট্য তেমনি স্ট্রেঞ্জনেসও কণাদের একটি মৌলিক বৈশিষ্ট্য।

চিত্র: স্ট্যান্ডার্ড মডেলে চার্ম ও স্ট্রেঞ্জ কোয়ার্কের অবস্থান। বাম দিক থেকে ২য় কলামে, উপরের দুটি।

স্ট্রেঞ্জনেস ধর্মকে একটি ফ্লেভার কোয়ান্টাম সংখ্যার সাহায্যে বর্ণনা করা যায়। একে s দ্বারা প্রকাশ করা যায়। কোনো কণার স্ট্রেঞ্জনেস বলতে বোঝায়, ঐ কণার অন্তর্গত স্ট্রেঞ্জ কোয়ার্ক কণার সংখ্যা থেকে অ্যান্টি-স্ট্রেঞ্জ কণার সংখ্যা বিয়োগ করে বিয়োগফলের ঋণাত্বক মান।

যেমন, কোনো একটি হ্যাড্রনে xটি স্ট্রেঞ্জ কোয়ার্ক কণা ও zটি অ্যান্টিস্ট্রেঞ্জ কোয়ার্ক কণা থাকলে, ঐ কণার স্ট্রেঞ্জনেসের (s) মান হবে, s = -(x – z) অর্থাৎ কণাটিতে যদি স্ট্রেঞ্জনেসের মান ধনাত্বক হয়, তবে বুঝতে হবে ঐ কণায় অ্যান্টিস্ট্রেঞ্জ কোয়ার্কের সংখ্যা বেশি।

আর যদি স্ট্রেঞ্জনেস ঋণাত্বক হয়, তবে বুঝতে হবে ঐ কণায় স্ট্রেঞ্জ কোয়ার্কের সংখ্যা বেশি। কয়েকটি উদাহরণ দেখা যাক। যেমন: একটি স্ট্রেঞ্জ কোয়ার্কের স্ট্রেঞ্জনেস হচ্ছে -১ আবার অ্যান্টিস্ট্রেঞ্জ কোয়ার্কের স্ট্রেঞ্জনেস হচ্ছে +১। একটি প্রোটন বা নিউট্রন, উভয়েরই স্ট্রেঞ্জনেস ০। কেননা স্বাভাবিক অবস্থায় প্রোটন বা নিউট্রনে কোনো স্ট্রেঞ্জ কোয়ার্ক বা অ্যান্টিস্ট্রেঞ্জ কোয়ার্ক থাকে না।

স্ট্রেঞ্জনেস নামক কণাদের এই ধর্মের ধারণা প্রদান করেন মারি গেলম্যান ও কাজুহিকো নিশিজিমা। কণাদের বিভিন্ন সংঘর্ষ ও মিথস্ক্রিয়ায় উৎপন্ন কায়ন, হাইপারন, সিগমা ডি মেসন ইত্যাদি কণার আচরণ ব্যাখ্যায় ১৯৫৫ সালের দিকে গেলম্যান-নিশিজিমা সূত্র গঠন করা হয়। এসব কণারা যখন সবল নিউক্লিয় বলের মাধ্যমে মিথস্ক্রিয়া করে তখন তাদের আয়ু হয় অনেক কম। কিন্তু সেই একই কণা যদি দুর্বল নিউক্লিয় বলের মাধ্যমে মিথস্ক্রিয়া করে তখন তাদের আয়ু হয় তুলনামূলকভাবে অনেক বেশি।

এই ঘটনা ব্যাখ্যায় কণাদের স্ট্রেঞ্জনেস ধর্মের উৎপত্তি। যাই হোক, স্ট্রেঞ্জনেস ধারণার পর স্ট্রেঞ্জ কোয়ার্ক ও স্ট্রেঞ্জ অ্যান্টিকোয়ার্কের ধারণা আসলেও স্ট্রেঞ্জ কোয়ার্ক সমৃদ্ধ যৌগিক কণা দেখা যায় অনেক আগেই। ১৯৪৭ সালেই কসমিক রশ্মিতে কায়ন কণার অস্তিত্ব দেখা যায়। স্ট্রেঞ্জ কোয়ার্ক আবিস্কারের পর জানা যায়, কায়ন কণা মূলত স্ট্রেঞ্জ কণা দ্বারা গঠিত।

চিত্রঃ কোয়ার্ক মডেল, এইটফোল্ড ওয়ে, স্ট্রেঞ্জনেসসহ কোয়ান্টাম ক্ষেত্র তত্ত্বের গ্রুপ প্রতিসাম্য ভাঙনের সফল ব্যাখ্যাদানকারী বিজ্ঞানী মারি গেল ম্যান।

স্ট্রেঞ্জ কোয়ার্কের চার্জ -১/৩ e এবং স্ট্রেঞ্জনেস -১। এই কণার আইসোস্পিন(৫) ০, ব্যারিয়ন সংখ্যা(৬) +১/৩ এবং স্পিন কোয়ান্টাম সংখ্যা +১/২। স্ট্রেঞ্জ কোয়ার্কের ভর ৯৫ MeV/c2 অর্থাৎ ভরের দিক থেকে এই কণা ৬টি কোয়ার্কের মাঝে ৪নং স্থানে আছে। স্ট্যান্ডার্ড মডেলে স্ট্রেঞ্জ কোয়ার্কের অবস্থান চার্ম কোয়ার্কের ঠিক নিচেই।

আবিষ্কারের দিক থেকে চার্ম কোয়ার্ক চতুর্থ নম্বর এবং ভরের দিক থেকে ৩ নম্বর। বহুদিন ধরে ভাবা হতো এই ৩টি কোয়ার্কই মৌলিক কণা। কিন্তু চার্ম কোয়ার্ক আবিষ্কার হবার পর এই ধারণা ভেঙে যায়। চার্ম কোয়ার্ক ও স্ট্রেঞ্জ কোয়ার্ক উভয়টিই ২য় প্রজন্মের কোয়ার্ক বলে তাদের বেশ কিছু ধর্মের সাদৃশ্য বিদ্যমান। চার্ম কোয়ার্ক ও স্ট্রেঞ্জ কোয়ার্কের মোট কৌণিক ভরবেগ, আইসোস্পিন, স্পিন কোয়ান্টাম সংখ্যা ও ব্যারিয়ন সংখ্যা একই। আলাদা হলো ভর ও চার্জ। চার্ম কোয়ার্কের ভর ১২৭৫ MeV/c2 এবং চার্জ হলো +২/৩ e।

“ফ্লেভার পরিবর্তক নিরেপেক্ষ প্রবাহ” (Flavor-Changing Neutral Current) নামে কোয়ান্টাম ক্ষেত্র তত্ত্বে একটি টার্ম আছে। এটি দ্বারা বোঝায় কোনো একটি ফার্মিয়নের(৭) বৈদ্যুতিক চার্জ ঠিক রেখে শুধু ফ্লেভারের পরিবর্তন করা। এটি প্রকৃতিতে ঘটে না। যদিও ল্যাগ্রাঞ্জিয়ান মিথস্ক্রিয়া অনুসারে এটি ঘটার কথা।

এই FCNC ঘটার কথা থাকলেও কেন ঘটে না তার ব্যাখ্যা দিতে মঞ্চে আসে GIM মেকানিজম। ১৯৭০ বিজ্ঞানী শেলডন গ্লাসো, জন ইলোপুলাস ও লুচিয়ানো মায়ানি এই GIM মেকানিজম দ্বারা দেখান যে, কেন FCNC প্রাকৃতিকভাবেই দমিত থাকে।

কিন্তু GIM মেকানিজম সত্যি হতে হলে ৩টি কোয়ার্ক কণা যথেষ্ট ছিল না। আরেকটি কোয়ার্কের তাত্ত্বিক অস্তিত্ব চলে আসছিল। এর কিছুদিন পরেই ১৯৭৪ সালে ব্রুকহ্যাভেন ন্যাশনাল ল্যাবরেটরিতে বিজ্ঞানী স্যামুয়েলটিঙ ও স্ট্যানফোর্ড লিনিয়ার একসিলারেটর সেন্টারের বিজ্ঞানী বার্টন রিখটার কর্তৃক চার্ম কোয়ার্ক পর্যবেক্ষণ করা সম্ভব হয়।

চিত্রঃ Stanford Linear Accelerator Center

কণাদের স্ট্রেঞ্জনেসের মতো চার্মনেস বলেও একটি পরিভাষা আছে। তবে একে ঠিক চার্মনেস না বলে চার্ম বলা হয়। অর্থাৎ কোয়ার্কের নামও চার্ম এবং ধর্মের নামও চার্ম। স্ট্রেঞ্জনেসের সাথে চার্ম ধর্মের কিছু পার্থক্য রয়েছে। যেমন, কোনো একটি হ্যাড্রনে xটি চার্ম কণা ও zটি অ্যান্টিচার্ম কণা থাকলে, ঐ কণার চার্ম (c) মান হবে, c = x – z অর্থাৎ কণাটিতে যদি চার্ম মান ধনাত্মক হয়, তবে বুঝতে হবে ঐ কণায় চার্ম কোয়ার্কের সংখ্যা বেশি। আর যদি চার্ম মান ঋণাত্বক হয়, তবে বুঝতে হবে ঐ কণায় অ্যন্টিচার্ম কোয়ার্কের সংখ্যা বেশি।

অর্থাৎ চার্ম ধর্ম স্ট্রেঞ্জনেসের পুরো উলটো। কয়েকটি উদাহরণ দেখা যাক। একটি চার্ম কোয়ার্কের চার্ম মান হচ্ছে +১ আবার অ্যান্টিচার্ম কোয়ার্কের চার্ম মান হচ্ছে -১। একটি প্রোটন বা নিউট্রন, উভয়েরই চার্ম মান ০। স্ট্রেঞ্জনেসের বেলায় একটি মাইনাস চিহ্ন থাকে, যেটি চার্ম মানের বেলায় থাকে না।

এর কারণ হলো, প্রথাগতভাবে ফ্লেভার চার্জ তথা স্ট্রেঞ্জনেস, চার্ম মান, বটমনেস, টপনেস, আইসোস্পিন ইত্যাদি এবং বৈদ্যুতিক চার্জ- এই দুই চার্জের চিহ্ন একই রাখা হয়। এই নিয়ম মানতে গিয়ে স্ট্রেঞ্জনেস ও বটমনেসের আগে মাইনাস চিহ্ন আসলেও টপনেস ও চার্ম মানের আগে মাইনাস চিহ্ন আসে না।

চার্ম কোয়ার্কযুক্ত হ্যাড্রন কণাদেরও চার্ম কোয়ার্ক আবিষ্কারের আগেই পাওয়া গিয়েছিল। ডি মেসন, জে বাই সাই মেসন, চার্মড সিগমা মেসন ইত্যাদি মেসন কণাতে চার্ম কোয়ার্ক আছে। মেসন কণা বাদেও ব্যারিয়ন কণাতেও চার্ম কোয়ার্ক পর্যবেক্ষিত হয়েছে। চার্ম কোয়ার্কের বিশেষ একটি বৈশিষ্ট্য হচ্ছে, এই কোয়ার্কের কোয়ার্কোনিয়াম(৮) অবস্থা অনেকগুলো।

অর্থাৎ একটি চার্ম কোয়ার্ক ও আরেকটি চার্ম অ্যান্টিকোয়ার্ক মিলে অনেকগুলি অবস্থা সৃষ্টি করে। যেমন, জে বাই সাই, চার্মড ইটা (1s), সাই (৩৬৮৬), সাই (৩৭৭০) ইত্যাদি। তবে চার্মোনিয়াম এর (একটি চার্ম ও একটি অ্যান্টিচার্ম কোয়ার্ক) ভূমি অবস্থা বা গ্রাউন্ড স্টেট হলো জে বাই সাই মেসন।

চার্ম ও স্ট্রেঞ্জ- এই দুই কোয়ার্ক কণার আবিস্কার ছিল কণা পদার্থবিদ্যার ক্ষেত্রে যুগান্তকারী। কেননা এই দুই কোয়ার্ক কণা একটি নতুন প্রজন্মের কোয়ার্ক কণার যুগ সূচনা করেছিল। একসময় মনে করা হতো সকল কণায় আপ ও ডাউন কোয়ার্কের বিভিন্ন অবস্থার এবং বিভিন্ন অনুপাতের সংমিশ্রণ। আসলে সেটি ভুল প্রমাণিত হয়েছে এই চার্ম ও স্ট্রেঞ্জ কোয়ার্ক আবিষ্কারের মাধ্যমেই।

আমরা এখন জানি, অধিকাংশ কণাই আপ ও ডাউন কোয়ার্ক সমৃদ্ধ হলেও কিছু কণা চার্ম ও স্ট্রেঞ্জ কোয়ার্ক সমৃদ্ধ। প্রোটন ও নিউট্রনে শুধু আপ ও ডাউন কোয়ার্ক কণাই রয়েছে- এই তথ্যটিও ভুল প্রমাণ হয়েছে স্ট্রেঞ্জ কোয়ার্ক নিয়ে গবেষণার ফলে।

একটি প্রোটনে দুইটি আপ ও একটি ডাউন কোয়ার্ক ছাড়াও আরো যেকোনো সংখ্যক স্ট্রেঞ্জোনিয়া (স্ট্রেঞ্জোনিয়ামের বহুবচন) থাকতে পারে। প্রোটন ও নিউট্রন দেখতে ঠিক কেমন ও প্রোটন-নিউট্রনের ভেতরের কাহিনী নিয়ে আরেকদিন লেখার ইচ্ছা ব্যক্ত করছি। আজকে চার্ম ও স্ট্রেঞ্জ কোয়ার্কের কাহিনী বলে কোয়ার্কের জগতের সৌন্দর্য অনুধাবন করার আমন্ত্রণ জানিয়ে বিদায় নিলাম।

পাদটীকা

(১) মহাবিশ্বের কণাসমূহের মিথস্ক্রিয়া ব্যাখ্যা প্রদানকারী একটি তত্ত্বের নাম স্ট্যান্ডার্ড মডেল।

(২) স্ট্যান্ডার্ড মডেলের কণাসমূহকে ৩টি প্রজন্মে ভাগ করা যায়। এই ৩টি প্রজন্মকে কীসের ভিত্তিতে ভাগ করা হয়েছে, তা এখনও অমিমাংসিত।

(৩) মেসন ও ব্যারিয়ন কণাগুলোকে তাদের বিভিন্ন ধর্ম যেমন চার্জ, স্ট্র্যাঞ্জনেস, স্পিন ইত্যাদির ভিত্তিতে অষ্টকরূপে বিন্যাস করা যায়। য্যুভ্যাল নিম্যান ও মারি গেল ম্যান কর্তৃক প্রদত্ত এই বিন্যাসকে এইট-ফোল্ড তত্ত্ব বলে।

(৪) কোয়ার্ক ও লেপটন মিলে যে যৌগিক কণা তৈরি করে তাকে হ্যাড্রন বলে। হ্যাড্রন ২ প্রকার। হ্যাড্রনের মাঝে যেখানে একটি কোয়ার্ক ও একটি যেকোনো অ্যান্টিকোয়ার্ক থাকে, তাকে মেসন বলে। অন্যপ্রকার হ্যাড্রনে ৩টি কোয়ার্ক থাকে। একে ব্যারিয়ন বলে।

(৫) আইসোস্পিন একটি এককবিহীন কোয়ান্টাম সংখ্যা। সবল নিউক্লিয় বলের মিথস্ক্রিয়ায় এই কোয়ান্টাম সংখ্যাটি অপরিবর্তিত থাকে।

(৬) একটি কণার অন্তর্গত মোট কোয়ার্ক সংখ্যা থেকে প্রতিকোয়ার্ক সংখ্যার বিয়োগফলের এক-তৃতীয়াংশকে ব্যারিয়ন সংখ্যা বলে। একটি কোয়ার্কের ব্যারিয়ন সংখ্যা +১/৩ এবং অ্যান্টিকোয়ার্কের ব্যারিয়ন সংখ্যা -১/৩

(৭) যেসব কণারা ফার্মি-ডিরাক সংখ্যায়ন মেনে চলে তথা যাদের স্পিন পূর্ণসংখ্যা নয়, বরং ভগ্নাংশ, তাদের ফার্মিয়ন বলে। সকল কোয়ার্ক ও লেপটন মিলে ফার্মিয়ন শ্রেণি গঠিত।

(৮) একটি কোয়ার্ক কণা ও ঐ কোয়ার্কেরই প্রতিকণা মিলে যে যৌগিক কণা তৈরি হয়, তাই কোয়ার্কোনিয়াম।

তথ্যসূত্র

  1. http://en.wikipedia.org/wiki/Book:Quarks
  2. http://en.wikipedia.org/wiki/Quark
  3. http://en.wikipedia.org/wiki/Charm_quark
  4. http://en.wikipedia.org/wiki/Strange_quark
  5. http://en.wikipedia.org/wiki/Book:Particles_of_the_Standard_Model
  6. http://en.wikipedia.org/wiki/Eightfold_Way_(physics)
  7. http://en.wikipedia.org/wiki/Quarkonium
  8. http://en.wikipedia.org/wiki/Strangeness
  9. http://en.wikipedia.org/wiki/Charmness
  10. http://en.wikipedia.org/wiki/Flavor-changing_neutral_current

পিঁপড়ার ব্যক্তিত্ব

কেওস থিওরিঃ বিশৃঙ্খলাই যেখানে শৃঙ্খলার পরিচায়ক