GRASIAN: Shaping and characterization of the cold hydrogen and deuterium beams for the forthcoming first demonstration of gravitational quantum states of atoms

गुरुत्वाकर्षण वह बल है जिसे हम हर क्षण महसूस करते हैं, वह अदृश्य बंधन जो हमारे पैरों को जमीन पर टिकाए रखता है और महासागरों को उनके बेसिन में बनाए रखता है। सदियों से, हमने गुरुत्वाकर्षण को एक सुचारू, निरंतर खिंचाव के रूप में समझा है, एक ऐसा नियम जो गिरते हुए सेब और बहते हुए बादल दोनों पर समान रूप से लागू होता है। लेकिन क्वांटम दुनिया में, जहाँ सूक्ष्म कणों के लिए भौतिकी के नियम बदल जाते हैं, गुरुत्वाकर्षण अलग तरह से व्यवहार करता है। यह सुचारू रूप से नहीं खींचता; इसके बजाय, यह कणों को ऊंचाई के विशिष्ट, पृथक स्तरों में मजबूर करता है, बिल्कुल एक सीढ़ी की तरह जहाँ आप एक पायदान पर तो खड़े हो सकते हैं लेकिन उनके बीच के खाली स्थान में कभी नहीं। इन्हें गुरुत्वाकर्षण क्वांटम अवस्थाएं (gravitational quantum states) कहा जाता है। जबकि वैज्ञानिकों ने पहले ही न्यूट्रॉन में इस अजीब व्यवहार को देखा है, एक नया प्रयास अब इसे परमाणुओं में पकड़ने की कोशिश कर रहा है, एक ऐसा कारनामा जो यह प्रकट कर सकता है कि क्या गुरुत्वाकर्षण सभी पदार्थ और यहाँ तक कि एंटीमैटर (antimatter) के लिए भी एक ही तरह से काम करता है।

GRASIAN सहयोग, जो ऑस्ट्रिया, स्विट्जरलैंड, फिनलैंड और फ्रांस के भौतिकविदों की एक टीम है, हाइड्रोजन परमाणुओं में इन क्वांटम अवस्थाओं को देखने के लिए एक विशेष मशीन बना रहा है। उनका लक्ष्य हाइड्रोजन की एक ऐसी बीम बनाना है जो इतनी धीमी और सुचारू रूप से चलती हो कि परमाणु गुरुत्वाकर्षण के इन अदृश्य पायदानों में स्थिर हो सकें। ऐसा करने के लिए, उन्हें परमाणुओं को परम शून्य (absolute zero) के करीब ठंडा करना होगा और उन्हें संकीर्ण छिद्रों के माध्यम से निर्देशित करना होगा, जिससे उन परमाणुओं को फ़िल्टर किया जा सके जो बहुत तेज़ या अनियमित रूप से चल रहे हैं। चुनौती बहुत बड़ी है क्योंकि परमाणु अविश्वसनीय रूप से हल्के होते हैं और उन्हें नियंत्रित करना कठिन होता है, और उनके द्वारा उत्पन्न संकेत वैक्यूम चैंबर में भटकते गैस अणुओं के बैकग्राउंड शोर से आसानी से दब जाता है।

अपने नवीनतम कार्य में, टीम ने इस अराजक वातावरण को नियंत्रित करने में महत्वपूर्ण प्रगति की रिपोर्ट दी है। उन्होंने सटीक छिद्रों और स्लिट्स (slits) की एक श्रृंखला के साथ हाइड्रोजन बीम को आकार देना शुरू किया, जिससे परमाणुओं की धारा को मात्र दो मिलीमीटर की चौड़ाई तक कम कर दिया गया। यह कोलिमेशन (collimation) प्रक्रिया एक छलनी की तरह कार्य करती है, जो केवल सबसे व्यवस्थित परमाणुओं को ही गुजरने देती है। इन स्लिट्स की ऊंचाई को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, शोधकर्ता बहुत विशिष्ट ऊर्ध्वाधर गति वाले परमाणुओं का चयन कर सकते हैं, जिससे उन परमाणुओं को फ़िल्टर किया जा सकता है जो केवल कुछ सेंटीमीटर प्रति सेकंड की गति से चल रहे हैं। यह धीमी, स्थिर गति आवश्यक है, क्योंकि तेज़ परमाणु क्वांटम पायदानों के ऊपर से बिना रुके निकल जाएंगे।

हालाँकि, एक पूरी तरह से आकार दी गई बीम के बावजूद, प्रयोग को एक प्रमुख बाधा का सामना करना पड़ा: बैकग्राउंड शोर। डिटेक्टर उन भटकते हाइड्रोजन परमाणुओं से संकेत प्राप्त कर रहे थे जो दीवारों से वैक्यूम सिस्टम में लीक होकर अंदर आ गए थे, जिससे वास्तविक संकेत को शोर से अलग करना कठिन हो गया था। इसे हल करने के लिए, टीम ने पहले हाइड्रोजन को उसके भारी भाई ड्यूटेरियम (deuterium) से बदलकर देखने का प्रयास किया। चूँकि ड्यूटेरियम भारी होता है, इसलिए यह समान तापमान पर अधिक धीरे चलता है, और यह वैक्यूम सिस्टम में बहुत दुर्लभ है, जिसने स्वाभाविक रूप से बैकग्राउंड शोर को कम कर दिया। इस बदलाव ने सिग्नल की स्पष्टता में सुधार किया, जिससे टीम 95 मीटर प्रति सेकंड से कम गति से चलने वाले ड्यूटेरियम परमाणुओं का पता लगाने में सक्षम हुई।

सबसे नाटकीय सुधार तब आया जब उन्होंने डिटेक्शन चैंबर को ही फिर से डिजाइन किया। उन्होंने लिक्विड हीलियम द्वारा ठंडा किया गया एक दोहरी परत वाला शील्ड स्थापित किया, जिससे डिटेक्टर के भीतर का हिस्सा प्रभावी रूप से एक क्रायोपंप (cryopump) बन गया जो भटकते गैस अणुओं को जमा देता है। इस सरल लेकिन शक्तिशाली बदलाव ने बीम से संबंधित बैकग्राउंड को लगभग पूरी तरह से समाप्त कर दिया। शोर कम होने के साथ, टीम ने 72 मीटर प्रति सेकंड जितनी कम गति वाले हाइड्रोजन परमाणुओं का सफलतापूर्वक पता लगाया, जो एक ऐसी सीमा है जो उन्हें गुरुत्वाकर्षण क्वांटम अवस्थाओं को देखने के लिए आवश्यक गति के बेहद करीब ले आती है।

शोधकर्ताओं ने फिर कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग यह परीक्षण करने के लिए किया कि क्या उनका वर्तमान सेटअप अंतिम प्रयोग के लिए तैयार है। उन्होंने मॉडल किया कि परमाणु एक गुरुत्वाकर्षण स्पेक्ट्रोमीटर (gravitational spectrometer) से गुजरते समय कैसा व्यवहार करेंगे, जो कि इन क्वांटम अवस्थाओं की ऊंचाई मापने के लिए बनाया गया एक उपकरण है। सिमुलेशन ने दिखाया कि वर्तमान गति के साथ, वे उन विशिष्ट चरणों (steps) को देखने में सक्षम होंगे जो गुरुत्वाकर्षण क्वांटम अवस्थाओं की उपस्थिति को चिह्नित करते हैं। टीम अब आश्वस्त है कि उनका उपकरण अंतिम स्पेक्ट्रोमीटर के साथ वर्तमान डिटेक्शन चैंबर को बदलने के लिए तैयार है। यदि सफल रहे, तो यह प्रयोग परमाणुओं में गुरुत्वाकर्षण क्वांटम अवस्थाओं को देखने का पहला अवसर होगा, जो गुरुत्वाकर्षण की मौलिक प्रकृति में एक नई खिड़की खोलेगा और भविष्य में वैज्ञानिकों को यह परीक्षण करने की अनुमति भी दे सकता है कि गुरुत्वाकर्षण एंटीमैटर पर कैसे कार्य करता है।