Positronium Laser Deceleration, Cooling and Trapping

क्वांटम दुनिया के शांत कोनों में, एक विचित्र परमाणु मौजूद है जो सितारों या मिट्टी में पाए जाने वाले सामान्य तत्वों से नहीं बना है। यह कणों की एक सूक्ष्म, क्षणभंगुर जोड़ी है: एक इलेक्ट्रॉन और उसका प्रतिद्रव्य (antimatter) जुड़वां, पॉज़िट्रॉन, जो एक नाजुक आलिंगन में बंधे हुए हैं। वैज्ञानिक इस जोड़ी को पॉज़िट्रोनियमम कहते हैं। चूंकि यह पूरी तरह से द्रव्य और प्रतिद्रव्य से बना है, इसलिए यह भौतिकी के मूलभूत नियमों, विशेष रूप से उन नियमों का परीक्षण करने के लिए एक आदर्श प्रयोगशाला है जो यह नियंत्रित करते हैं कि प्रकाश और पदार्थ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। हालांकि, इस परमाणु में एक गंभीर कमी है: यह अविश्वसनीय रूप से अल्पजीवी है। अंतरिक्ष के निर्वात में, यह एक माइक्रोसेकंड के अंश के लिए भी जीवित रहता है, इससे पहले कि दोनों कण आपस में टकराकर ऊर्जा के विस्फोट में लुप्त हो जाएं। इसका अध्ययन करने के लिए, इसके गुणों को अत्यधिक सटीकता से मापने के लिए, या इसे एक अति-शीत तरल (super-cold fluid) बनाने के लिए भी, जिसे बोस-आइंस्टीन कंडेनसेट कहा जाता है, शोधकर्ताओं को पहले इसे धीमा करना होगा। ये परमाणु अत्यधिक गति से पैदा होते हैं, और यदि उन्हें तुरंत ठंडा और ट्रैप नहीं किया गया, तो वे किसी भी प्रयोग के शुरू होने से पहले ही गायब हो जाते हैं।

दशकों से, भौतिकविदों ने लेजर का उपयोग करके इन तेज़ गति वाले परमाणुओं को वश में करने का सपना देखा है, जैसा कि उन्होंने दशकों से साधारण परमाणुओं के साथ किया है। विचार यह है कि कई दिशाओं से प्रकाश की बौछार करके परमाणुओं पर प्रहार किया जाए, जिससे फोटोन के सौम्य धक्के का उपयोग करके उनकी गति और ऊष्मा को कम किया जा सके। लेकिन पॉज़िट्रोनियम एक मानक परमाणु की तुलना में बहुत कठिन लक्ष्य है। इसके छोटे जीवन का अर्थ है कि काम करने के लिए बहुत कम समय है, और प्रकाश के साथ इसकी परस्पर क्रिया की भौतिकी कहीं अधिक जटिल है। इनरब्रुक विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं द्वारा किए गए एक नए अध्ययन ने इस चुनौती का गहराई से विश्लेषण किया है, यह देखने के लिए विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन चलाए हैं कि क्या इन भूतिया परमाणुओं के गायब होने से पहले उन्हें धीमा करना, ठंडा करना और पकड़ना (trap करना) वास्तव में संभव है। परिणाम आशाजनक हैं, जो सुझाव देते हैं कि सही लेजर सेटअप के साथ, हम वास्तव में इन परमाणुओं के एक महत्वपूर्ण हिस्से को पकड़ सकते हैं और उन्हें परम शून्य (absolute zero) के करीब तापमान तक ठंडा कर सकते हैं, जिससे एंटीमैटर भौतिकी के एक नए युग का द्वार खुल जाएगा।

शोधकर्ताओं ने पॉज़िट्रोनियम के एक विशिष्ट प्रकार, जिसे ऑर्थो-पॉज़िट्रोनियम कहा जाता है, पर ध्यान केंद्रित किया, जो अपने समकक्ष की तुलना में थोड़ा अधिक समय तक जीवित रहता है, जिससे उन्हें काम करने के लिए लगभग 140 नैनोसेकंड का एक छोटा सा अवसर मिलता है। उन्होंने एक परिदृश्य की कल्पना की जहां इन गर्म परमाणुओं का एक विस्फोट उत्पन्न किया जाता है और फिर उन्हें लेजर प्रकाश की एक धारा में छोड़ा जाता है। लक्ष्य यह देखना था कि क्या वे एक ऐसा लेजर सिस्टम डिजाइन कर सकते हैं जो एक ब्रेक की तरह कार्य करे, जो परमाणुओं को उनकी प्रारंभिक उच्च गति से धीमा करके लगभग स्थिर कर दे, और फिर उन्हें एक स्थान पर थामे रखे। अपने पहले दृष्टिकोण में, उन्होंने एक एक-आयामी (one-dimensional) सेटअप का सिमुलेशन किया, जो अनिवार्य रूप से चलते हुए परमाणुओं के विरुद्ध लेजर बीमों की एक सीधी रेखा थी। उन्होंने लेजर सेटिंग्स के हजारों विभिन्न संयोजनों का परीक्षण किया, प्रकाश के रंग और उसकी तीव्रता को समायोजित किया ताकि एक आदर्श नुस्खा मिल सके। सिमुलेशन ने दिखाया कि परमाणुओं को केवल 0.22 केल्विन के तापमान तक ठंडा करना संभव है, जो परम शून्य से केवल एक अंश ऊपर है। हालांकि, इस अत्यधिक शीतलन की एक कीमत थी: जब तक परमाणु इस तापमान तक पहुंचे, तब तक उनमें से आधे से अधिक नष्ट (annihilate) हो चुके थे।

टीम को तब एहसास हुआ कि अधिक परमाणुओं को बचाने के लिए, उन्हें एक स्मार्ट रणनीति की आवश्यकता है। उन्होंने पाया कि परमाणुओं को धीमा करने के लिए उपयोग किए जाने वाले लेजर अनजाने में उन्हें बहुत ज़ोर से धकेल सकते हैं, जिससे वे कुछ समय बाद फिर से तेज़ हो जाते हैं। इसे ठीक करने के लिए, उन्होंने एक दो-चरणीय प्रक्रिया प्रस्तावित की। पहले, वे परमाणुओं को तेजी से धीमा करने के लिए लेजर की एक चलती लहर (moving wave) का उपयोग करेंगे। फिर, जैसे ही परमाणु अपनी गति खोने लगेंगे, वे लेजर को एक स्टैंडिंग वेव पैटर्न (standing wave pattern) में बदल देंगे। यह परिवर्तन एक जाल बनाता है, एक प्रकार का ऑप्टिकल पिंजरा जो परमाणुओं को एक स्थान पर रखता है और उन्हें पुन: त्वरित होने से रोकता है। यह समायोजन एक गेम-चेंजर साबित हुआ। सिमुलेशन में, इस पद्धति ने शोधकर्ताओं को परमाणुओं को सुरक्षित रखने और उन्हें प्रभावी ढंग से ठंडा करने की अनुमति दी, जबकि उनके एक बड़े हिस्से को संरक्षित भी किया। उनके सबसे अच्छे परिदृश्यों में से एक में, उन्होंने पाया कि वे मूल परमाणुओं के लगभग 80 प्रतिशत को जीवित और सुरक्षित रखते हुए पूरे समूह को एक केल्विन से नीचे ठंडा कर सकते हैं।

ठंडा करने को और अधिक कुशल बनाने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक दूसरे, अधिक जटिल मॉडल की खोज की जिसमें लेजर की एक दूसरी परत शामिल थी। इस सेटअप में मुख्य धीमा करने वाली बीम के लंबवत (perpendicular), बगल से चमकने वाली एक दूसरी लेजर बीम का उपयोग किया गया। यह साइड लेजर एक अलग ऊर्जा संक्रमण (energy transition) के लिए ट्यून किया गया था, जिसमें परमाणु की एक उच्च ऊर्जा अवस्था शामिल थी। इस अतिरिक्त चरण का लाभ दोहरा था: इसने परमाणुओं को बगल से ठंडा करने में मदद की, जिससे उन्हें दूर जाने से रोका गया, और इसने परमाणुओं को एक उच्च ऊर्जा अवस्था में अधिक समय बिताने के लिए प्रोत्साहित किया जहाँ उनके नष्ट होने की संभावना कम होती है। इस दो-आयामी दृष्टिकोण के लिए सिमुलेशन और भी सफल रहे। एक धीमा करने वाले लेजर से ट्रैपिंग लेजर में स्विच करने के समय को सावधानीपूर्वक निर्धारित करके, टीम ने पाया कि वे 0.22 केल्विन का अंतिम तापमान प्राप्त कर सकते हैं जबकि आधे से अधिक परमाणुओं को सुरक्षित रख सकते हैं। इससे भी अधिक प्रभावशाली बात यह है कि उन्होंने एक ऐसा विन्यास (configuration) पाया जहाँ वे एक केल्विन का तापमान प्राप्त कर सकते हैं जबकि लगभग 80 प्रतिशत परमाणुओं को गायब होने से बचा सकते हैं।

अध्ययन ने ऐसी मशीन बनाने के व्यावहारिक आवश्यकताओं पर भी गौर किया। सिमुलेशन ने संकेत दिया कि लेजर को अविश्वसनीय रूप से शक्तिशाली होना चाहिए, जो लगभग 100 नैनोसेकंड के बहुत छोटे विस्फोट के भीतर मिलीजूल्स के क्रम में ऊर्जा प्रदान करे। हालांकि यह चुनौतीपूर्ण लगता है, शोधकर्ताओं ने नोट किया कि ऐसी तकनीक वर्तमान प्रयोगशाला क्षमताओं की पहुंच के भीतर है। आवश्यक लेजर तीव्रता उच्च है, लेकिन यह आधुनिक उपकरणों द्वारा उत्पादित की जाने वाली सीमा से बाहर नहीं है। मुख्य निष्कर्ष यह है कि लेजरों की ज्यामिति (geometry) उनके पावर जितना ही महत्वपूर्ण है। परमाणुओं पर केवल प्रकाश की बौछार करना पर्याप्त नहीं है; समय और बीमों की विशिष्ट व्यवस्था उस पुन: त्वरण (re-acceleration) से बचने के लिए महत्वपूर्ण है जो शीतलन प्रक्रिया को खराब कर देता है।

यह कार्य इस दावे के साथ नहीं है कि मशीन अभी बनाई गई है, बल्कि यह प्रदान करता है कि इसे कैसे किया जाए, इसका एक ठोस रोडमैप है। शोधकर्ताओं ने कठोर कंप्यूटर मॉडलिंग के माध्यम से दिखाया है कि भौतिकी पॉज़िट्रोनियम के तीव्र मंदन (deceleration) और ट्रैपिंग की अनुमति देती है। उन्होंने उन विशिष्ट लेजर मापदंडों की पहचान की है जो परमाणु के छोटे जीवन और उसके फिर से गर्म होने की प्रवृत्ति पर काबू पाने के लिए आवश्यक हैं। आगे का रास्ता इन ऑप्टिकल ट्रैप्स को बनाने और उन्हें पॉज़िट्रोनियम की वास्तविक बीमों के साथ परीक्षण करने का है। यदि सफल रहे, तो यह तकनीक वैज्ञानिकों को पॉज़िट्रोनियम के घने, ठंडे बादलों को बनाने की अनुमति देगी। ऐसा ब्रेकथ्रू पॉज़िट्रोनियम के बोस-आइंस्टीन कंडेनसेट को बनाने की दिशा में एक बड़ा कदम होगा, जो पदार्थ की एक ऐसी अवस्था है जहाँ सभी परमाणु एक एकल क्वांटम इकाई के रूप में कार्य करते हैं। यह मौलिक भौतिकी के बहुत अधिक सटीक परीक्षणों को भी सक्षम करेगा, जो संभावित रूप से ब्रह्मांड की प्रकृति और द्रव्य एवं प्रतिद्रव्य के बीच के संतुलन के बारे में नई अंतर्दृष्टि प्रदान करेगा। सिमुलेशन बताते हैं कि ठंडे, नियंत्रणीय पॉज़िट्रोनियम स्रोत का सपना अब केवल एक सैद्धांतिक संभावना नहीं है, बल्कि एक यथार्थवादी इंजीनियरिंग चुनौती है जिसे हल किया जाना बाकी है।