પ્રોટૉન-ક્ષય (proton decay) : પ્રોટૉન(P)નું વિભંજન થઈ પૉઝિટ્રૉન (e+) અને વિદ્યુત-તટસ્થ પાયૉન(πo)માં રૂપાંતર થવાની ઘટના.
P → e+ + π0
અહીં પૉઝિટ્રૉન ઇલેક્ટ્રૉનનો પ્રતિકણ (antiparticle) છે; પાયૉન (πo) એટલે કે પાઇ-મેસૉન (pimeson-pion) ઇલેક્ટ્રૉન કરતાં ભારે અને પ્રોટૉન કરતાં હલકો એવો વિદ્યુતતટસ્થ કણ છે.
મહાએકીકૃત સિદ્ધાંત(grand unification theory –GUT)ને આધારે પ્રોટૉન-ક્ષયની આગાહી કરવામાં આવી હતી. GUT એટલે ઘણી વધારે ઉચ્ચ ઊર્જાએ ન્યૂક્લિયર બળ, વિદ્યુતચુંબકીય બળ અને મંદ બળની પ્રબળતા એકસરખી હોઈ, એક જ બળને જુદા જુદા ત્રણ સ્વરૂપે ગણવાનો સિદ્ધાંત. આવી પ્રક્રિયામાં બૅરિયૉન સંખ્યાનું સંરક્ષણ થતું નથી. બૅરિયૉન એટલે ભારે કણ, જેમાં પ્રોટૉન અને ન્યૂટ્રૉનનો સમાવેશ થતો હોય છે. કણ માટે બૅરિયૉન સંખ્યા +1 અને પ્રતિકણ માટે –1 લેવાય છે. પ્રોટૉન અને ન્યૂટ્રૉન સિવાયના કણો માટે બૅરિયૉન-સંખ્યા 0 (શૂન્ય) લેવાય છે. કોઈ પણ આંતરક્રિયા પહેલાં અને પછી બૅરિયૉન સંખ્યા એકમૂલ્ય રહે છે. પ્રક્રિયા P → e+ + π0ની ડાબી બાજુની બૅરિયૉન સંખ્યા +1 છે, કારણ કે પ્રોટૉન બૅરિયૉન કણ હોઈ તે +1 બૅરિયૉન સંખ્યા ધરાવે છે; આ પ્રક્રિયાની જમણી બાજુની બૅરિયૉન સંખ્યા શૂન્ય છે, કારણ કે પૉઝિટ્રૉન અને પાયૉનની બૅરિયૉન સંખ્યા શૂન્ય છે. આથી આ પ્રક્રિયા પહેલાં અને પછી બૅરિયૉન સંખ્યા એકમૂલ્ય નથી, પરિણામે GUT પ્રમાણે પ્રોટૉન-ક્ષય શક્ય છે. GUT મુજબ પ્રોટૉનનો સૈદ્ધાંતિક જીવનકાળ 1035 વર્ષ છે.
ગેલ-માન અને જી. ઝ્વાઇગે 1963માં સ્વતંત્ર રીતે દર્શાવ્યું કે પ્રોટૉન, ½ પ્રચક્રણ (spin) ધરાવતા ત્રણ ક્વાર્કોનો બનેલો છે. તેમાં બે u-પ્રકારના ક્વાર્ક 2/3e જેટલો ધન અપૂર્ણાંક વિદ્યુતભાર ધરાવે છે અને d-પ્રકારનો ક્વાર્ક 1/3e જેટલો ઋણ અપૂર્ણાંક વિદ્યુતભાર ધરાવે છે. અહીં e, ઇલેક્ટ્રૉનનો વિદ્યુતભાર છે. આથી પ્રોટૉનનો કુલ વિદ્યુતભાર =2/3e+2/3e–1/3e=e થાય છે. આવા ત્રણ ક્વાર્ક, પ્રોટૉનની વર્તણૂક નક્કી કરે છે. ક્વાર્કો વચ્ચેની આંતરક્રિયાને લગતાં ક્વૉન્ટમ યાંત્રિકીય સિદ્ધાંતનાં સમીકરણોનો ઉકેલ હજુ મળ્યો નથી.
ભૂગર્ભ પ્રયોગશાળા
ક્વૉન્ટમ વર્ણગતિકી(quantum chromo-dynamics – QCD)ની મદદથી ક્વાર્કની વર્તણૂકનો અભ્યાસ શક્ય છે. [QCD પ્રમાણે ક્વાર્ક વર્ણ (colour) જેવી એક નવી ક્વૉન્ટમ-સંખ્યા ધરાવે છે.] વર્ણ એવો ગુણધર્મ છે જે એકલ અને અલગ કરેલ ક્વાર્કના સ્થાયી અસ્તિત્વનો વિરોધ કરે છે. અલગ કરેલ ભૌતિક પ્રણાલી માટે કુલ વર્ણ શૂન્ય હોવો જોઈએ અને આ હકીકત અપૂર્ણાંક વિદ્યુતભાર ધરાવતા મુક્ત કણના અસ્તિત્વ ઉપર પ્રતિબંધ મૂકે છે. પ્રોટૉનને પણ આ હકીકત લાગુ પડે છે. તે મુજબ પ્રોટૉન એ ત્રણ ક્વાર્કની માન્ય ન્યૂનતમ ઊર્જા-અવસ્થા છે. પ્રોટૉનનો ત્રણ ક્વાર્કમાં ક્ષય થતો નથી. પ્રોટૉનનો ક્વાર્કમાં ક્ષય થાય તો મુક્ત ક્વાર્કના અસ્તિત્વને અનુમોદન મળે છે. બીજા શબ્દોમાં, ક્વાર્કની આંતરક્રિયાના સંદર્ભે પ્રોટૉન સંપૂર્ણપણે સ્થાયી છે.
પ્રોટૉનની સ્થિરતાનું વ્યાવહારિક મહત્વ વર્ષોથી સ્વીકારાયેલું છે. પ્રોટૉનની આવી સ્થિરતા ભૌતિકવિજ્ઞાનના કોઈ મૂળભૂત સંરક્ષણ-નિયમનો ભાગ હોવાનો સંભવ છે. વિશ્વમાં અસ્તિત્વ ધરાવતા તમામ પરમાણુઓના ન્યૂક્લિયસના પાયાના ઘટક-કણો ન્યૂટ્રૉન અને પ્રોટૉન છે. આ સાથે વિશ્વના પરમાણુઓમાં જોવા મળતી સ્થિરતા પ્રોટૉનની સ્થિરતાનું પરિણામ છે.
QCDને આધારે પ્રોટૉનનું વર્ણન મળી રહે છે. આ વર્ણનને આધારે જાણી શકાય છે કે શા માટે ત્રણ-ક્વાર્કના તંત્રરૂપ પ્રોટૉનમાંથી તે છૂટા પડીને મુક્ત થતા નથી. આમાંથી બીજો એક પેટાપ્રશ્ન ઉદભવે છે કે કદાચ ખુદ ક્વાર્કનો ક્ષય થતો હોય. આનો જવાબ QCD પાસે નથી; પણ એસ. વિનબર્ગ, એ. સલામ અને એસ. ગ્લૅશોએ તૈયાર કરેલ એકીકૃત વિદ્યુતમંદ સિદ્ધાંત (electroweak theory – EWT) પાસે તેનો જવાબ છે. આ સિદ્ધાંત વિદ્યુતચુંબકીય અને રેડિયો-ઍક્ટિવ ઘટનાઓનું વર્ણન કરે છે. આ બધી ઘટનાઓને પ્રાયોગિક સમર્થન મળી રહે છે. આ સિદ્ધાંત પ્રોટૉનની સ્થિરતાને પણ અનુમોદન આપે છે.
મહાએકીકૃત સિદ્ધાંત (GUT) તો આનાથી ઊલટી આગાહી કરે છે. GUT પ્રમાણે પ્રોટૉનનો ક્ષય થઈ શકે છે. આ સિદ્ધાંત મુજબ પ્રોટૉનના જીવનકાળની આગાહી કરી શકાઈ છે અને તે પ્રમાણે પ્રોટૉનનો જીવનકાળ 1035 વર્ષ અંદાજવામાં આવ્યો છે. આ સમય વિશ્વની વય કરતાં ઘણો વધારે છે. પ્રોટૉન-ક્ષય ઉપર આધારિત પ્રયોગ વડે વિશ્વની વયનો અંદાજ મળી શકે.
પ્રોટૉન-ક્ષયની જાણકારી માટે પ્રયોગોનું આયોજન થઈ રહ્યું છે. આ પ્રયોગમાં 900 મેટ્રિક ટન દળના નમૂના વડે વર્ષે એકાદ પ્રોટૉન-ક્ષયની ઘટના નોંધી અને જાણી શકાય તેવી ગણતરી છે. આ પ્રયોગમાં વપરાતાં ઉપકરણો અત્યંત સંવેદનશીલ હોય છે. આ ઉપકરણો ઉપર કૉસ્મિક કિરણો અને પશ્ચ-ભૂમિવિકિરણની અસર સહેલાઈથી થાય છે. આવાં પરિબળો સામે ઉપકરણોને રક્ષણ આપવા માટે આ પ્રયોગ ઊંડે ભૂગર્ભમાં કરવામાં આવે છે. ફ્રેન્ચ આલ્પ્સની તળેટીમાં આવેલ ફ્રેઝૂસ બોગદામાં પ્રોટૉન-ક્ષયના અભ્યાસ માટે ભૂગર્ભ પ્રયોગશાળા તૈયાર કરેલી છે (જુઓ નીચેની આકૃતિ).
તેમાં 6 મીટર x 6 મીટર x 3 મિલિમીટર જેટલાં પરિમાણ ધરાવતી 100 મેટ્રિક ટનની લોખંડની પ્લેટો વડે તૈયાર કરેલ સૂચક (detector) છે. લોખંડના પરમાણુની ન્યૂક્લિયસના પ્રોટૉનનો ક્ષય થતાં ઉત્સર્જિત થતા કણોની આ સૂચક નોંધ કરે છે. આવી ભૂગર્ભ પ્રયોગશાળા અવરોધક બળો સામે ખાસ રીતે સુરક્ષિત કરેલી હોવા છતાં, કૉસ્મિક કિરણોની અન્ય કણો સાથે આંતરક્રિયા થતાં ઉત્સર્જિત થતા ગૌણ ન્યૂટ્રિનોની અસરથી આ પ્રયોગ મુક્ત નથી. એટલે કે પ્રોટૉન-ક્ષયના અભ્યાસ માટે જરૂરી પ્રાયોગિક ઉપકરણોની સંવેદિતા ઉપર ન્યૂટ્રિનો મર્યાદા લાદે છે.
પ્રોટૉન-ક્ષયની વિગતવાર માહિતી મળે તો બ્રહ્માંડ(cosmos)નાં રહસ્યો સમજવામાં સરળતા વધે. મહાવિસ્ફોટ (big bang) પહેલાં વિશ્વ મહાપરમાણુ (superatom) સ્વરૂપે હતું, જેમાં ઊર્જા અને દ્રવ્ય યુગ્મિત હતાં. સમગ્ર પરિસ્થિતિ સૂપ (soup) જેવી હતી. મહાવિસ્ફોટ પછી તુરત જ એટલે કે 10–30 સેકન્ડ સમયે વિશ્વની લાક્ષણિકતાનો ખ્યાલ ઉચ્ચ ઊર્જા વડે મળે છે. આવી ઉચ્ચ ઊર્જામાં મહાએકીકૃત આંતરક્રિયા, જે પ્રોટૉન-ક્ષયને અનુકૂળતા કરી આપે છે, તે પછીના વિશ્વની ઉત્ક્રાંતિ નક્કી કરે છે. આમાંથી એક નોંધપાત્ર ઘટના જોવા મળે છે કે વિશ્વ દ્રવ્ય (matter) જ ધરાવે છે અને તેમાં પ્રતિદ્રવ્ય(antimatter)નો અભાવ છે.
મૂળભૂત કણો વચ્ચે થતી આંતરક્રિયાઓને લગતા વર્તમાન સિદ્ધાંતો, QCD અને વિદ્યુતમંદ સિદ્ધાંત (EWT) એવી પ્રક્રિયાઓ માન્ય કરે છે, જેમાં કણો અને પ્રતિકણો સમાન સંખ્યામાં સર્જાય છે; પણ હાલમાં આ વિશ્વમાં દ્રવ્યની હાજરી અને પ્રતિદ્રવ્યની ગેરહાજરી સૂચવે છે કે આ સિદ્ધાંતો આ હકીકત સાથે સુસંગત નથી.
GUT પ્રમાણે પ્રોટૉન-ક્ષય શક્ય છે તે જાણવા પ્રયોગોનું આયોજન થઈ રહ્યું છે.
બૅરિયૉન (baryon) પેટાપારમાણ્વિક (subatomic) ભારે કણ છે. તેમાં ન્યૂટ્રૉન, પ્રોટૉન અને હાઇપેરૉન (વધુ ભારે) કણોનો સમાવેશ થાય છે. ન્યૂટ્રૉન ક્ષય પામે છે. ન્યૂટ્રૉનનો ક્ષય થતાં પ્રોટૉન, ઇલેક્ટ્રૉન અને ન્યૂટ્રીનો મળે છે. બૅરિયૉનનો ક્ષય થતાં હલકો બૅરિયૉન મળે છે. આ સિદ્ધાંતને બૅરિયૉન સંરક્ષણનો સિદ્ધાંત કહે છે. પ્રોટૉન હલકામાં હલકો બૅરિયૉન હોઈ તેનાથી હલકો બૅરિયૉન શક્ય ન હોઈ પ્રોટૉનનો ક્ષય શક્ય નથી. વિશ્વમાં દ્રવ્યના મૂળ ઘટકો ન્યૂટ્રૉન અને પ્રોટૉન છે. ન્યૂટ્રૉનનો ક્ષય શક્ય છે, કારણ કે તેના ક્ષયથી હલકો બૅરિયૉન પ્રોટૉન મળે છે. પ્રોટૉનથી હલકો બૅરિયૉન ન હોઈ તેનો ક્ષય શક્ય નથી. પ્રોટૉનનો ક્ષય થાય તો પરમાણુ શાશ્વત (કાયમી) બની શકે નહીં. પ્રોટૉનનો ક્ષય થતો નથી, તે તો સદભાગ્યપૂર્ણ ઘટના ગણાય; કારણ કે તે સમગ્ર વિશ્વનો વિધ્વંસ (collapse) અટકાવે છે.
પ્રહલાદ છ. પટેલ