ভুবন ভরা নিউট্রিনো, ধরতে গেলে নাই

স্ট্যান্ডার্ড মডেলের মৌলিক কণাদের মাঝে খুব সম্ভবত সবচেয়ে অদ্ভুত কণাটির নাম নিউট্রিনো। তাই এদেরকে ভুতুড়ে কণা নামেও ডাকা হয়। মহাবিশ্বের সবখানে এদের অবাধ বিচরণ। আমরা সবাই ডুবে আছি নিউট্রিনোসমুদ্রে। কিন্তু তারপরেও এদের দেখতে পাই না আমরা, পারি না ছুঁতে। যেন সব কিছুকে ফাঁকি দেওয়ার এক অদ্ভুত ক্ষমতা রয়েছে এদের। তবে বিজ্ঞানীরাও হাল ছাড়ার পাত্র নন। তাই এক সময়ে ঠিকই তাদের পাতা ফাঁদে ধরা পড়ে নিউট্রিনোরা।    

ইলেকট্রন বা প্রোটনদের মতো নিউট্রিনোদের মাঝে কোনো ধরনের তড়িৎ চার্জ নেই। নেই কোয়ার্কদের মতো কালার চার্জ। তাই তড়িৎ চৌম্বক বল এবং সবল নিউক্লিয়ার বল এদের ওপর বিন্দুমাত্র প্রভাব ফেলতে পারে না। আবার, কল্পনাতীত কম ভরের হওয়ায় এদের ওপরে মহাকর্ষ বলের প্রভাবও নেই বললেই চলে। কেবল দুর্বল বলের মাধ্যমে এরা অংশ নেয় মিথস্ক্রিয়ায়। মহাবিশ্বের চারটি মৌলিক বলের মাঝে এই বলটিই সবচেয়ে কম শক্তিশালী। তাই নিউট্রিনোরা বলতে গেলে প্রায় কোনো কিছুর সঙ্গেই বিক্রিয়া করে না।

নিউট্রিনোরা কতটা নিষ্ক্রিয়, তার একটা ছোট উদাহরণ দেওয়া যাক। মানুষের দেহের প্রতি বর্গ সে.মি. জায়গার মধ্য দিয়ে প্রতি সেকেন্ডে ১০^১২টি নিউট্রিনো অতিক্রম করছে। কিন্তু এদের কোনোটিই দেহের সঙ্গে সামান্যতম বিক্রিয়া করে না। তাই আমরা এদের অস্তিত্ব শনাক্ত করতে পারি না। আলফা, বিটা বা গামা রশ্মির মতো এরা মানব দেহের কোষের সঙ্গে বিক্রিয়ায় অংশ নিলে যেকোনো মানুষ কয়েক সেকেন্ডের মাঝে মারা যেত। তাই এদের নিষ্ক্রিয়তা আমাদের জন্য আশীর্বাদ স্বরূপ বলা যায়।

চূড়ান্ত মাত্রায় নিষ্ক্রিয় হওয়ায় পথ চলার সময় নিউট্রিনোদের শক্তির ক্ষয় হয় না বললেই চলে। তাই এদের গতি রোধ করা প্রায় অসম্ভব এক কাজ। সবকিছু ভেদ করে চলে যেতে পারে এরা। যদি নিউট্রিনোদের থামানোর জন্য এক আলোকবর্ষের (৯.৪×১০^১২ কিলোমিটার) সমান পুরত্বের লেডের দেয়াল বানানো হয়, তাহলেও কেবল অর্ধেক নিউট্রিনোদের আটকানো যাবে। বাকিরা ঠিকই ফাঁক গলে বেরিয়ে যাবে। সাধে কি আর এদেরকে ভুতুড়ে কণা বলা হয়?

নিউট্রিনো হাইপোথিসিস

কেমন করে এমন ভুতুড়ে কণাদের কথা বিজ্ঞানীদের মাথায় এল? জানতে হলে ফিরে যেতে হবে বিশ শতকের গোড়ার দিকে। পদার্থবিদরা তখন অদ্ভুত এক সমস্যা নিয়ে হাবুডুবু খাচ্ছেন। কোনো কুলকিনারা পাচ্ছেন না। সমস্যাটি ছিল তেজস্ক্রিয় বিটা ক্ষয় নিয়ে। গোড়া থেকে শুরু করা যাক।

কোনো পরমাণুর নিউক্লিয়াসে যদি অতিরিক্তসংখ্যক প্রোটন বা নিউট্রনের অস্তিত্ব থাকে, তাহলে নিউক্লিয়াসটি হয়ে যায় ভারসাম্যহীন। স্বাভাবিক ভারসাম্যপূর্ণ অবস্থায় ফিরে আসার জন্য সেগুলোতে থাকা অতিরিক্ত নিউট্রন বা প্রোটনের মধ্যে রূপান্তর ঘটে। অর্থাৎ, অতিরিক্ত প্রোটন থাকলে সেগুলো রূপান্তরিত হয় নিউট্রনে। আর অতিরিক্ত নিউট্রন থাকলে তারা পরিণত হয় প্রোটনে। প্রথম ধরনের বিক্রিয়ার নাম ধনাত্মক বিটা ক্ষয় প্রক্রিয়া। আর পরেরটির নাম ঋণাত্মক বিটা ক্ষয় প্রক্রিয়া। ধনাত্মক বিটা ক্ষয় প্রক্রিয়ায় প্রোটন থেকে নিউট্রনের পাশাপাশি পাওয়া যায় একটি পজিট্রন (ইলেকট্রনের প্রতিকণা)। আর ঋণাত্মক বিটা ক্ষয় প্রক্রিয়ায় পজিট্রনের পরিবর্তে উৎপন্ন হয় ইলেকট্রন।

পদার্থবিদরা এ ধরনের বিক্রিয়াগুলো থেকে নির্গত ইলেকট্রন বা পজিট্রনের শক্তি পরিমাপ করতে পারেন। আর তাতেই এক অদ্ভুত বিষয় নজরে আসে তাদের। বিটা ক্ষয় প্রক্রিয়ার মাধ্যমে যে ইলেকট্রনগুলো উৎপন্ন হয়, তাদের কারো শক্তির মানই নির্দিষ্ট নয়। এদের শক্তির মানে তারতম্য দেখা যায় একটি নির্দিষ্ট সীমা পর্যন্ত। এ ঘটনার মাধ্যমে সরাসরি লঙ্ঘিত হয় শক্তি ও ভরবেগের সংরক্ষণশীলতা নীতি। নাকি সংরক্ষণশীলতা নীতিটাই ভুল? দীর্ঘ দিন ধরে সমস্যাটি কাবু করে রেখেছিল পদার্থবিদদের।

সংরক্ষণশীলতা নীতির মতো সর্বজন স্বীকৃত তত্ত্বকে চাইলেও চট করে বাতিল করে দেয়া যায় না। তাই সমস্যা সমাধানে অদ্ভুত এক প্রস্তাব দিয়ে বসেন অস্ট্রিয়ান পদার্থবিদ উলফগ্যাং পাউলি। তার মতে, বিটা ক্ষয় প্রক্রিয়ায় আরেকটি সম্পূর্ণ নতুন কণা নির্গত হয়। এই অজানা কণাটি ক্ষয় প্রক্রিয়ায় নির্গত ইলেকট্রন বা পজিট্রনের সঙ্গে শক্তি ভাগাভাগি করে নেয়। ফলে সামগ্রিকভাবে সংরক্ষিত থাকতে পারে শক্তি ও ভরবেগ। অজানা কণাটির নাম দেওয়া হয় নিউট্রিনো। আর এ সমাধানটি পরিচিত হয় ‘নিউট্রিনো হাইপোথিসিস’ নামে। এ তত্ত্ব অনুসারে ধনাত্মক বিটা ক্ষয় প্রক্রিয়ায় পাওয়া যাবে একটি নিউট্রিনো। আর ঋণাত্মক বিটা ক্ষয় প্রক্রিয়ায় উৎপন্ন হবে একটি প্রতিনিউট্রিনো। আপাতদৃষ্টিতে খুবই যুক্তিযুক্ত এ সমাধান। তবে নিউট্রিনোদের প্রকৃতি বিশ্লেষণ করতে গেলে যে কেউ তত্ত্বটির যথার্থতা নিয়ে দ্বিতীয়বার ভাবতে বাধ্য হবেন। কারণ একে হতে হবে প্রায় ভরশূন্য। ভরের সর্বোচ্চ মান হতে পারবে প্রোটনের ভরের একশ ভাগের মাত্র এক ভাগের সমান। পাশাপাশি একে হতে হবে পুরোপুরি চার্জশূন্য এবং প্রায় নিষ্ক্রিয়। এমন কোনো কণার অস্তিত্ব কি আসলেই থাকা সম্ভব?

ইনভার্স বিটা ক্ষয় প্রক্রিয়া

সরাসরি পরীক্ষা-নিরীক্ষার মাধ্যমে শতভাগ নিশ্চিত হওয়ার আগ পর্যন্ত কোনো তত্ত্বকেই বিজ্ঞানের দৃষ্টিতে সঠিক বলা যায় না। তা সেটা শুনতে যতই শক্ত-পোক্ত হোক না কেন। নিউট্রিনো হাইপোথিসিসও এর ব্যতিক্রম নয়। তাই ১৯৫৬ সালের আগপর্যন্ত পদার্থবিদরা কাল্পনিক কণা হিসেবেই ডায়েরিতে তুলে রাখতে বাধ্য হয়েছিলেন নিউট্রিনোদের। অবশ্য ততদিনে এই হাইপোথিসিসের ভিত অনেকটাই শক্ত হয়ে গিয়েছিল। বিশেষ করে ইতালিয়ান পদার্থবিদ এনরিকো ফার্মির গবেষণার বদৌলতে সব পদার্থবিদই এদের অস্তিত্ব একরকম স্বীকার করে নিয়েছিলেন। কেবল অপেক্ষা ছিল বাস্তবে এদের খুঁজে পাওয়া। অবশেষে ১৯৫৬ সালে মার্কিন পদার্থবিদ ফ্রেডরিক রেইনস এবং ক্লাইড কোয়ানের হাত ধরে আসে সেই মাহেন্দ্রক্ষণ। চলুন কীভাবে দুই পদার্থবিদ এই অসম্ভবকে সম্ভব করলেন, তা জেনে আসা যাক।

আমরা এতক্ষণ পর্যন্ত দুধরনের বিটা ক্ষয় প্রক্রিয়া সম্পর্কে জেনেছি। এই দুইয়ের বাইরেও আরেক ধরনের বিটা ক্ষয় প্রক্রিয়া হতে পারে। এই প্রক্রিয়ায় প্রতিনিউট্রিনোরা প্রোটনকে আঘাত করার মাধ্যমে উৎপন্ন করে নিরপেক্ষ নিউট্রন ও পজিট্রন। এ ধরনের বিক্রিয়াগুলো অত্যন্ত দুর্লভ হলেও কালেভদ্রে ঘটতে দেখা যায়। হরেকরকম বিটা ক্ষয় বিক্রিয়ার মাঝে বিভ্রান্তি দূর করার জন্য নিচের সমীকরণগুলোতে একবার চোখ বুলিয়ে নিতে পারেন। 

যদি কোনোভাবে ইনভার্স বিটা ক্ষয় প্রক্রিয়া সংঘটিত হওয়ার প্রমাণ পাওয়া যায়, তাহলে সন্দেহাতীতভাবে প্রমাণিত হবে নিউট্রিনোদের অস্তিত্ব। ঠিক এই কাজটা করার জন্যই আঁট-ঘাট বেঁধে নামেন রেইনস ও কোয়েন।

পঞ্চাশের দশকের মাঝামাঝিতে বাণিজ্যিকভাবে পারমাণবিক শক্তির ব্যবহার শুরু হয়। চালু হয় রিঅ্যাক্টর ভিত্তিক বিদ্যুৎকেন্দ্র। এই রিঅ্যাক্টরগুলো নিউট্রিনো ও প্রতিনিউট্রিনো তৈরির আখড়া। এদের প্রতি বর্গসেন্টিমিটার জায়গা থেকে প্রতি সেকেন্ডে উৎপন্ন নিউট্রিনো বা প্রতিনিউট্রিনোদের সংখ্যা ১ হাজার বিলিয়ন থেকে শুরু করে ১০ হাজার বিলিয়ন পর্যন্ত হতে পারে। রিঅ্যাক্টর থেকে উৎপন্ন হয়ে এরা সবদিকে ছড়িয়ে পড়ে। এ সময়ে এরা কোনো ধরনের বিক্রিয়ায় অংশ নেয় না। তবে হাতে গোনা কয়েকটি প্রতিনিউট্রিনো অংশ নিতে পারে ইনভার্স বিটা ক্ষয় প্রক্রিয়ায়। সেখান থেকে উৎপন্ন নিউট্রন ও পজিট্রনকে শনাক্ত করার এক অসম্ভব চ্যালেঞ্জ নেন রেইনস ও কোয়েন।

ইনভার্স বিটা ক্ষয় প্রক্রিয়া সংঘটিত হওয়ার খুব অল্প সময় পর পর্যন্ত অস্তিত্ব থাকে পজিট্রনের। কারণ আশপাশে থাকা প্রচুর সংখ্যক স্বাভাবিক ইলেকট্রনদের সংস্পর্শে এসে এরা একে অন্যকে মুহূর্তে ধ্বংস করে দেয়। এ সময়ে উৎপন্ন হয় দুটি ফোটন। অন্যদিকে, ইনভার্স বিটা ক্ষয় থেকে উৎপন্ন নিউট্রনরা টিকে থাকতে পারে অনেকটা সময়। এরা ধীরে-সুস্থে বিক্রিয়ায় অংশ নেয়। বিক্রিয়া শেষে এরাও নির্গত করে একটি ফোটন। অর্থাৎ বিটা ক্ষয় প্রক্রিয়া শেষে সামান্য কিছু সময়ের ব্যবধানে মোট তিনটি ফোটন পাওয়া যায়। প্রথম দুটি ফোটন এবং পরবর্তী একটি ফোটন পাওয়ার মধ্যবর্তী গড় সময়ের ব্যবধান ৫ মাইক্রোসেকেন্ডের কাছাকাছি। এই প্যাটার্ন ধরে যদি সত্যি তিনটি ফোটন খুঁজে পাওয়া যায়, তাহলে তা হবে নিশ্চিতভাবে নিউট্রিনোদের শনাক্ত করার সামিল। এ লক্ষ্যে নিউক্লিয়ার রিঅ্যাক্টরের কোর থেকে মাত্র ১১ মিটার দূরে এবং মাটির ১২ মিটার গভীরে ফাঁদ পাতেন রেইনস ও কোয়েন। মহাজাগতিক রশ্মির প্রভাব থেকে এক্সপেরিমেন্টের সেট-আপকে দূরে রাখতেই মূলত দুই পদার্থবিদের মাটির গভীরে যাত্রা।

মূল এক্সপেরিমেন্টের সেট-আপটি ছিল দুই প্রকোষ্ঠের। এতে রাখা হয়েছিল মোট ২০০ লিটার পানি। সেই পানিতে মেশানো ছিল ৪০ কেজি ক্যাডমিয়াম ক্লোরাইড। ইনভার্স বিটা ক্ষয়ের মাধ্যমে উৎপন্ন নিউট্রনরা দ্রবণে থাকা ক্যাডমিয়াম-১০৮ দ্বারা শোষিত হয়। ফলে পাওয়া যায় উত্তেজিত অবস্থার ক্যাডমিয়াম-১০৯। এটি খুব দ্রুত ফোটন ছেড়ে দিয়ে ভারসাম্যে চলে আসে। এর আগেই অবশ্য পাওয়া যায় ইলেকট্রন ও পজিট্রনের মিলন থেকে তৈরি ফোটন দুটিকে। সব ফোটন শনাক্ত করার জন্য প্রকোষ্ঠগুলোর চারদিকে বসানো হয় বিশেষ ধরনের ডিটেকটর। তারপর শুরু হয় অন্তহীন অপেক্ষার পালা।

বেশ কিছু মাস ক্রমাগত পর্যবেক্ষণ শেষে সিদ্ধান্তে পৌঁছানোর মতো তথ্য উপাত্ত হাতে পান রেইনস ও কোয়েন। সেখানে নিশ্চিতভাবে ধরা পড়ে তিন ফোটনের প্যাটার্ন। কেবল রিঅ্যাক্টর চালু থাকা অবস্থায় এমন প্যাটার্নের অস্তিত্ব দেখা যায়। এভাবে রেইনস ও কোয়েনের হাত ধরে প্রথমবারের মতো অস্তিত্ব নিশ্চিত করা সম্ভব হয় নিউট্রিনোদের। খাতা-কলমের বন্দিশালা থেকে মুক্তি পায় এরা।

লেখক: অ্যাসিস্ট্যান্ট ম্যানেজার, নিউক্লিয়ার পাওয়ার প্ল্যান্ট কোম্পানি বাংলাদেশ লিমিটেড (এনপিসিবিএল)

সূত্র: বেঞ্জামিন ভার, বরিস লেমার ও রিনা পিকোলো, কোয়ার্কি কোয়ার্ক: এ কার্টুন গাইড টু দ্য ফ্যাসিনেটিং রেলম অব ফিজিকস