प्रतिप्रोटोन

प्रतिप्रोटोन (उच्चारण पी-बार) प्रोटॉन का प्रतिकण है। प्रतिप्रोटोन स्थिर होते हैं लेकिन वे प्राय: अल्पकालिक होते हैं क्योंकि प्रोटॉन के साथ किसी भी टक्कर से ऊर्जा के फटने से दोनों कणों का विनाश हो जाएगा।

विद्युत आवेश के साथ प्रतिप्रोटोन का अस्तित्व $-1 e$ के विद्युत आवेश के विपरीत $1 e$ प्रोटॉन की भविष्यवाणी पॉल डिराक ने अपने 1933 के नोबेल पुरस्कार व्याख्यान में की थी। डिराक को 1928 में उनके डिराक समीकरण के प्रकाशन के लिए नोबेल पुरस्कार मिला जिसने अल्बर्ट आइंस्टीन के ऊर्जा समीकरण के निश्चित और निष्क्रिय समाधानों के अस्तित्व की भविष्यवाणी की थी ($$E = mc^2$$) और विपरीत चार्ज और स्पिन के साथ पॉज़िट्रॉन का अस्तित्व इलेक्ट्रॉन का एंटीमैटर एनालॉग।

1955 में कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय बर्कले के भौतिकविदों एमिलियो सेग्रे और ओवेन चेम्बरलेन द्वारा बेवाट्रॉन कण त्वरक पर पहली बार प्रतिप्रोटोन की प्रयोगात्मक रूप से पुष्टि की गई थी जिसके लिए उन्हें 1959 में भौतिकी में नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था।

वैलेंस क्वार्क के संदर्भ में एक प्रतिप्रोटोन में दो अप एंटीक्वार्क और एक डाउन एंटीक्वार्क होते हैं। मापे गए प्रतिप्रोटोन के सभी गुण प्रोटॉन के संबंधित गुण ऊपर से मेल खाते हैं अपवाद के साथ कि प्रतिप्रोटोन में विद्युत आवेश और चुंबकीय क्षण होते हैं जो प्रोटॉन के विपरीत होते हैं जो कि एंटीमैटर के एक प्रोटॉन समतुल्य से अपेक्षित है। एंटीमैटर से स्थिति कैसे अलग है और हमारे ब्रह्मांड महा विस्फोट से कैसे बचे यह समझाने में एंटीमैटर की प्रासंगिकता के प्रश्न आज के ब्रह्मांड में एंटीमैटर की सापेक्षिक कमी के कारण खुली समस्याएं बनी हुई हैं।

प्रकृति में घटना
1979 की प्रारम्भ में ब्रह्मांड किरण में प्रतिप्रोटोन का पता लगाया गया है। पहले बैलून-जनित प्रयोगों द्वारा और हाल ही में उपग्रह-आधारित डिटेक्टरों द्वारा ब्रह्मांडीय किरणों में उनकी उपस्थिति के लिए मानक तस्वीर यह है कि वे इंटरस्टेलर माध्यम में परमाणु नाभिक के साथ ब्रह्मांडीय किरण प्रोटॉन के टकराव में प्रतिक्रिया के माध्यम से उत्पन्न होते हैं जहां ए एक नाभिक का प्रतिनिधित्व करता है:

+ ए → +  +  + ए

द्वितीयक प्रतिप्रोटोन फिर आकाशगंगा के माध्यम से प्रचार करें। गांगेय चुंबकीय क्षेत्र द्वारा सीमित। तारे के बीच के माध्यम में अन्य परमाणुओं के साथ टकराव से उनके ऊर्जा स्पेक्ट्रम को संशोधित किया जाता है और आकाशगंगा से बाहर निकलने से प्रतिप्रोटोन भी खो सकते हैं।

प्रतिप्रोटोन कॉस्मिक किरण ऊर्जा स्पेक्ट्रम को अब मज़बूती से मापा जाता है और यह कॉस्मिक किरण टक्करों द्वारा प्रतिप्रोटोन उत्पादन की इस मानक तस्वीर के अनुरूप है। ये प्रायोगिक माप प्रतिप्रोटोन की संख्या पर ऊपरी सीमा निर्धारित करते हैं जो कि विदेशी तरीकों से उत्पन्न हो सकते हैं जैसे कि आकाशगंगा में सुपरसिमेट्री गहरे द्रव्य कणों के विनाश से या मौलिक ब्लैक होल के वाष्पीकरण के कारण हॉकिंग विकिरण से। यह लगभग 1-10 मिलियन वर्षों के प्रतिप्रोटोन जीवनकाल की निचली सीमा भी प्रदान करता है। चूंकि प्रतिप्रोटोन का गांगेय भंडारण समय लगभग 10 मिलियन वर्ष है और एक आंतरिक क्षय जीवनकाल गांगेय निवास समय को संशोधित करेगा और कॉस्मिक किरण प्रतिप्रोटोन के स्पेक्ट्रम को विकृत करेगा। यह प्रतिप्रोटोन जीवनकाल के सर्वश्रेष्ठ प्रयोगशाला मापों की तुलना में काफी अधिक कठोर है:


 * CERN में LEAR सहयोग: $0.08 साल$
 * गेराल्ड गेब्रियल एट अल का एंटीहाइड्रोजन पेनिंग ट्रैप: $0.28 साल$
 * CERN में आधार प्रयोग: $10.2 साल$
 * फर्मिलैब में एपेक्स सहयोग: $50,000 साल$ के लिए →  + कुछ भी
 * फर्मीलैब में एपेक्स सहयोग: $300,000 साल$ के लिए →  +

प्रतिप्रोटोन के गुणों का परिमाण सीपीटी समरूपता द्वारा सटीक रूप से प्रोटॉन से संबंधित होने की भविष्यवाणी की जाती है। विशेष रूप से सीपीटी समरूपता प्रतिप्रोटोन के द्रव्यमान और जीवनकाल को प्रोटॉन के समान होने की भविष्यवाणी करती है और प्रतिप्रोटोन का विद्युत आवेश और चुंबकीय क्षण संकेत के विपरीत और प्रोटॉन के परिमाण के बराबर होता है। सीपीटी समरूपता क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत का एक बुनियादी परिणाम है और इसके किसी भी उल्लंघन का पता नहीं चला है।

हाल ही में हुए कॉस्मिक रे डिटेक्शन प्रयोगों की सूची

 * BESS (प्रयोग): गुब्बारा-जनित प्रयोग 1993, 1995, 1997, 2000, 2002, 2004 (ध्रुवीय- I) और 2007 (ध्रुवीय- II) में उड़ाया गया।
 * CAPRICE: गुब्बारा-जनित प्रयोग 1994 में उड़ाया गया और 1998।
 * गर्मी: गुब्बारा-जनित प्रयोग 2000 में उड़ाया गया।
 * अल्फा चुंबकीय स्पेक्ट्रोमीटर: अंतरिक्ष-आधारित प्रयोग 1998 में अंतरिक्ष शटल पर उड़ाया गया प्रोटोटाइप अंतर्राष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन के लिए अभिप्रेत है जिसे मई 2011 में प्रारम्भ किया गया था।
 * एंटीमैटर एक्सप्लोरेशन और लाइट-न्यूक्लियर एस्ट्रोफिजिक्स के लिए पेलोड: स्पेस से कॉस्मिक किरणों और एंटीमैटर का पता लगाने के लिए उपग्रह प्रयोग जून 2006 में प्रारम्भ किया गया। हाल की रिपोर्ट ने दक्षिण अटलांटिक विसंगति में 28 प्रतिप्रोटोन की खोज की।

उत्पादन
टेवाट्रॉन में कोलाइडर भौतिकी के संचालन के लिए फ़र्मिलाब में नियमित रूप से प्रतिप्रोटोन का उत्पादन किया जाता था जहाँ वे प्रोटॉन से टकराते थे। प्रोटॉन टकरावों की तुलना में प्रतिप्रोटोन का उपयोग क्वार्क और एंटीक्वार्क के बीच टकराव की उच्च औसत ऊर्जा की अनुमति देता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि प्रोटॉन में वैलेंस क्वार्क और प्रतिप्रोटोन में वैलेंस एंटीक्वार्क प्रोटॉन या प्रतिप्रोटोन की गति का सबसे बड़ा पार्टन (कण भौतिकी) अंश ले जाने की प्रवृत्ति रखते हैं।

प्रतिप्रोटोन के निर्माण के लिए 10 ट्रिलियन केल्विन के तापमान के बराबर ऊर्जा की आवश्यकता होती है (1013 के) और ऐसा स्वाभाविक रूप से नहीं होता है। हालाँकि CERN में प्रोटॉन सिंक्रोट्रॉन में प्रोटॉन को 26 GeV की ऊर्जा में त्वरित कियाऔर फिर एक इरिडियम रॉड में तोड़ दिया जाता है। प्रोटॉन द्रव्यमान-ऊर्जा तुल्यता के साथ इरिडियम नाभिक से उछलते हैं। कणों और प्रति-कण की एक श्रृंखला बनती है और प्रतिप्रोटोन को खालीपन में चुंबक का उपयोग करके अलग किया जाता है।

मापन
जुलाई 2011 में CERN में ASACUSA प्रयोग ने प्रतिप्रोटोन के द्रव्यमान को निर्धारित किया $1,836.153$ इलेक्ट्रॉन का गुना। प्रयोग की निश्चितता के स्तर के भीतर यह एक प्रोटॉन के द्रव्यमान के समान है।

अक्टूबर 2017 में CERN में BASE प्रयोग पर काम कर रहे वैज्ञानिकों ने प्रति अरब 1.5 भागों की सटीकता के लिए प्रतिप्रोटोन चुंबकीय क्षण की माप की सूचना दी। यह प्रोटॉन चुंबकीय पल (2014 में बेस द्वारा भी बनाया गया) के सबसे सटीक माप के अनुरूप है जो सीपीटी समरूपता की परिकल्पना का समर्थन करता है। यह माप पहली बार दर्शाता है कि एंटीमैटर की एक संपत्ति पदार्थ में समकक्ष संपत्ति की तुलना में अधिक सटीक रूप से जानी जाती है।

जनवरी 2022 में प्रतिप्रोटोन और निष्क्रिय रूप से चार्ज किए गए हाइड्रोजन आयन के बीच चार्ज-टू-मास अनुपात की तुलना करके बेस प्रयोग ने निर्धारित किया है कि प्रतिप्रोटोन का चार्ज-टू-मास प्रति ट्रिलियन 16 भागों तक अनुपात प्रोटॉन के समान है।

संभावित अनुप्रयोग
प्रतिप्रोटोन को प्रयोगशाला प्रयोगों के भीतर कुछ कैंसर के इलाज की क्षमता रखने के लिए दिखाया गया है इसी तरह की विधि वर्तमान में आयन (प्रोटॉन) चिकित्सा के लिए उपयोग की जाती है। प्रतिप्रोटोन थेरेपी और प्रोटॉन थेरेपी के बीच प्राथमिक अंतर यह है कि आयन ऊर्जा के जमाव के बाद प्रतिप्रोटोन नष्ट हो जाता है और कैंसर वाले क्षेत्र में अतिरिक्त ऊर्जा जमा हो जाती है।

यह भी देखें

 * प्रतिन्यूट्रॉन
 * प्रतिप्रोटोनिक हीलियम
 * कणों की सूची
 * पुनर्चक्रण एंटीमैटर