भौतिकी में एक प्रोटॉन सबसे सरल वस्तुओं में से एक होना चाहिए। यह सभी परमाणुओं का एक बुनियादी निर्माण खंड है, या, वैकल्पिक रूप से, अपने आप में सबसे सरल संभव परमाणु है, क्योंकि हाइड्रोजन (एक सकारात्मक रूप से आवेशित प्रोटॉन और एक नकारात्मक रूप से आवेशित इलेक्ट्रॉन) अभी भी हाइड्रोजन है जब यह आयनित होता है।
ब्रह्मांड में अधिकांश परमाणु हाइड्रोजन हैं, जैसे आपके शरीर में अधिकांश परमाणु हैं। वास्तव में, चूंकि इलेक्ट्रॉन छोटे होते हैं और बहुत कम वजन के होते हैं, इसलिए यह निष्कर्ष निकालना सीधा है कि आप ज्यादातर, विशेष रूप से, प्रोटॉन हैं।
यह सब देखते हुए, आपको लगता है कि भौतिक विज्ञानी अब तक प्रोटॉन को अच्छी तरह समझ चुके होंगे। आप गलत होंगे।
यदि आप अपने भौतिकी के शिक्षक से पूछते हैं कि प्रोटॉन किससे बने हैं, तो वे आपको बताएंगे कि प्रोटॉन तीन छोटे कणों से बने होते हैं जिन्हें कहा जाता है क्वार्क. क्वार्क छह अलग-अलग प्रकारों में आते हैं, या ‘स्वाद’: अप, डाउन, चार्म, स्ट्रेंज, टॉप और बॉटम (इन्हें 1960 और 70 के दशक में नाम दिया गया था), जिसमें अप और डाउन क्वार्क मिलकर प्रोटॉन और न्यूट्रॉन बनाते हैं।
चूंकि अप क्वार्क का चार्ज +2/3 है और डाउन क्वार्क का चार्ज -1/3 है, इसलिए सभी राशियां काम करती हैं यदि एक +1-चार्ज प्रोटॉन दो अप और एक डाउन (2/3 + 2/) है 3 – 1/3 = +1) और एक तटस्थ न्यूट्रॉन दो डाउन और एक अप (-1/3 -1/3 + 2/3 = 0) है।
अब तक सब ठीक है.
लेकिन जबकि शुल्क पूरी तरह से जुड़ते हैं, जनता नहीं होती है। कण भौतिकी में, हम आम तौर पर द्रव्यमान को ऊर्जा के संदर्भ में मापते हैं (उस पुराने मानक के माध्यम से विनिमेय, E=mc2), और इस उद्देश्य के लिए हम मेगा-इलेक्ट्रॉन-वोल्ट के लिए MeV की इकाइयों का उपयोग करेंगे।
यदि आप क्वार्क द्रव्यमान को ऑनलाइन देखते हैं, तो आप पाएंगे कि एक अप क्वार्क का द्रव्यमान लगभग 2 MeV होता है जबकि एक डाउन क्वार्क का द्रव्यमान 5 MeV के करीब होता है। लेकिन वही स्रोत आपको बताएंगे कि एक प्रोटॉन का द्रव्यमान 938 MeV है। हमारी रकम लगभग 99 प्रतिशत कम है।
इस तरह से अधिक
इससे पहले कि हम घबराएं, हम पूछ सकते हैं कि प्रोटॉन में और क्या है? और हमारे पास एक सुविधाजनक उत्तर है: ग्लून्स! ग्लून्स उचित रूप से नामित कण हैं जो मजबूत परमाणु बल को ले जाते हैं, ठीक वैसे ही जैसे फोटॉन प्रकाश – विद्युत चुम्बकीय बल को ले जाते हैं। क्वार्क को एक साथ रखने के लिए प्रोटॉन में ग्लून्स होते हैं, इसलिए निश्चित रूप से उन्हें कुछ योगदान देना चाहिए। लेकिन ग्लून्स में फोटॉन के साथ कुछ और समानता है: वे पूरी तरह से द्रव्यमान रहित हैं।
तो हम एक ऐसे प्रोटॉन का निर्माण कैसे करते हैं जिसका वजन तीन क्वार्कों में से 938 MeV है, जिसका वजन कुल 9 MeV और मुट्ठी भर कणों का कोई द्रव्यमान नहीं है?
जितना आप सोच सकते हैं उत्तर उससे कहीं अधिक जटिल है। एक बात के लिए, यह कहना बिल्कुल सही नहीं है कि एक प्रोटॉन में तीन क्वार्क होते हैं। वास्तव में, एक प्रोटॉन एक रोइंग है मात्रा क्वार्क, एंटीक्वार्क और ग्लून्स की अनगिनत संख्या का समुद्र, एक दूसरे में परिवर्तित होकर लगातार अस्तित्व में और बाहर जा रहा है। और वे ईथर के कण जो प्रोटॉन के अंदर घूमते हैं, गतिज ऊर्जा ले जाते हैं, जो E=mc के माध्यम से होती है2हमें 938 MeV का लगभग 60 प्रतिशत मिलता है जिसकी हमें आवश्यकता है।
अंतिम टुकड़ा मजबूत परमाणु बल की ऊर्जा से ही आता है। क्वार्क न केवल मजबूत बल से बंधे होते हैं बल्कि सीमित होते हैं। यह इससे अलग है गुरुत्वाकर्षण या इलेक्ट्रोमैग्नेटिज्म, जहां आप जितना अधिक अलगाव प्राप्त करते हैं, आकर्षण उतना ही कमजोर होता है – आप पर्याप्त प्रयास के साथ, मैग्नेट को अलग कर सकते हैं, या एक रॉकेट को पृथ्वी से दूर कर सकते हैं। लेकिन मजबूत ताकत सिर्फ खींचती रहेगी।
बल में ही इतनी ऊर्जा बंधी हुई है कि भले ही आप दो बंधे हुए क्वार्कों को उनके मजबूत बल आकर्षण पर काबू पाने के लिए पर्याप्त रूप से अलग-अलग खींचने का प्रबंधन करते हैं, उस बंधन को तोड़ने के लिए आपको जो ऊर्जा लगानी होगी, वह अनायास दो नए क्वार्क बना लेगी, एक बंधा हुआ उनमें से प्रत्येक के लिए जिन्हें आपने अभी-अभी अलग किया है। क्वार्क अलग होना पसंद नहीं करते।
क्वार्क कारावास में निहित ऊर्जा प्रोटॉन द्रव्यमान पहेली को हल करती है, लेकिन यह शब्द वास्तव में कैसे उत्पन्न होता है, और इसकी परिमाण क्या है, इसकी गणना अविश्वसनीय रूप से जटिल है, और जितना अधिक आप उन्हें देखते हैं, उतना ही जटिल हो जाता है।
हाल के प्रयोगों से पता चला है कि प्रोटॉन को कभी-कभी आकर्षक क्वार्क युक्त देखा जा सकता है, जो विशेष रूप से आश्चर्यजनक है, क्योंकि आकर्षण क्वार्क प्रोटॉन की तुलना में अधिक भारी होते हैं।
प्रोटॉन के आकार का मापन दशकों से विवादास्पद रहा है: आपको अलग-अलग उत्तर मिलते हैं, जो इस बात पर निर्भर करता है कि क्या आप इसे प्रोटॉन से इलेक्ट्रॉनों को बिखेर कर मापते हैं या हाइड्रोजन परमाणु में इलेक्ट्रॉन को प्रोटॉन से होकर गुजरते हुए देखते हैं, जो कि यह नियमित रूप से करता है, सिर्फ एक सामान्य दिन पर, क्योंकि उस पैमाने पर कुछ भी पवित्र नहीं है।
नई, उन्नत कम्प्यूटेशनल तकनीकों के साथ, हम प्रगति कर रहे हैं। और माप पहले से ही अविश्वसनीय रूप से सटीक हैं। यदि हम इस सबसे बुनियादी परमाणु निर्माण ब्लॉक के रहस्यों को अनलॉक कर सकते हैं, तो हम वास्तविकता को नियंत्रित करने वाले मौलिक कानूनों को समझने के करीब होंगे। या हो सकता है कि हम इसके भीतर छिपी कुछ और भी विचित्र खोज लें।
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