પ્રોટૉન (Proton) : ધન વિદ્યુતભારિત મૂળભૂત કણ. તે હાઇડ્રોજન પરમાણુની ન્યૂક્લિયસ છે. ઉપરાંત તે તમામ ન્યૂક્લિયસનો અંગભૂત કણ છે. હાઇડ્રોજન પરમાણુની ન્યૂક્લિયસમાં પ્રોટૉન અને તેની આસપાસ ઇલેક્ટ્રૉન ભ્રમણ કરતો હોય છે. પ્રોટૉન ઇલેક્ટ્રૉન કરતાં આશરે 1,837ગણો વધારે ભારે હોય છે. આથી હાઇડ્રોજન પરમાણુનું દળ પ્રોટૉનને કારણે હોય છે એમ કહી શકાય. પરમાણુની અંદરનો ઘણોખરો વિસ્તાર ખાલી હોય છે; કારણ કે પરમાણુની સરખામણીમાં પ્રોટૉન અને ઇલેક્ટ્રૉનનું કદ ખૂબ જ ઓછું હોય છે.
હાઇડ્રોજન કરતાં ભારે રાસાયણિક તત્વોની ન્યૂક્લિયસને Z સંખ્યાના પ્રોટૉન અને N સંખ્યાના ન્યૂટ્રૉનની ચુસ્ત રીતે બદ્ધપ્રણાલી તરીકે વિચારી શકાય છે. વિદ્યુતની ર્દષ્ટિએ પરમાણુ તટસ્થ હોઈ તેની ન્યૂક્લિયસની આસપાસ Z જેટલા ઇલેક્ટ્રૉન શિથિલપણે બંધાયેલા હોય છે.
પ્રોટૉનના ગુણધર્મોનો અભ્યાસ સરળ છે, કારણ કે મુક્ત પ્રોટૉન સહેલાઈથી મળી શકે છે. હાઇડ્રોજન પરમાણુઓનું આયનીકરણ (ionization) કરવાથી મુક્ત પ્રોટૉન મળે છે. આયનીકરણની પ્રક્રિયામાં હાઇડ્રોજન પરમાણુના ઇલેક્ટ્રૉનને તેમાંથી દૂર કરવામાં આવે છે. ચુંબકીય અનુનાદ(magnetic resonance)ના પ્રયોગમાં પ્રોટૉનની ચુંબકીય દ્વિ-ધ્રુવી ચાકમાત્રા બરાબર ચોકસાઈથી માપી શકાય છે. પ્રોટૉનનો વિદ્યુતભાર 1.6 x 10–19 કુલંબ; દળ, 1.673 x 10–27 કિલોગ્રામ; પ્રચક્રણ 
(જ્યાં 
અને, h પ્લાંકનો અચળાંક છે), ચુંબકીય દ્વિ-ધ્રુવી ચાકમાત્રા, 1.411 x 10–26 જૂલ/ટેસ્લા અને ત્રિજ્યા આશરે 10–15 મી. છે.
½ પ્રચક્રણ ધરાવતા કણોનું વર્ણન ડિરાકના ક્વૉન્ટમ યાંત્રિકીય સમીકરણને આધારે કરી શકાય છે. પૂરી ચોકસાઈવાળા પ્રયોગોને આધારે જાણી શકાયું છે કે ઇલેક્ટ્રૉનના ગુણધર્મો આવા કણના ગુણધર્મોને મળતા આવવા જોઈએ. ડિરાકના સમીકરણ મુજબ મળતા કણને કદ અથવા સંરચના હોતી નથી.
પ્રોટૉન ½ પ્રચક્રણ ધરાવે છે; પણ તે ડિરાકે સૂચવેલ ભૌમિતિક બિંદુ-કણ (point-particle) નથી. ડિરાક કણ અને પ્રોટૉનની ચુંબકીય ચાકમાત્રાનાં મૂલ્યો જુદાં જુદાં મળે છે; ઉપરાંત ન્યૂક્લિયસમાં પ્રોટૉનનું ન્યૂટ્રૉન સાથેનું ચુસ્ત જોડાણ સૂચવે છે કે પ્રોટૉનને કોઈક પ્રકારની આંતરિક સંરચના હોવી જોઈએ. પ્રોટૉનની સંરચના જાણવા માટે ઉચ્ચ-ઊર્જા-કણોનો ઉપયોગ બે કારણોથી કરવાનો રહે છે : (1) વેગમાન અને સ્થાન વચ્ચે સંબંધ ધરાવતા કવૉન્ટમ યાંત્રિકીના અનિશ્ચિતતાના સિદ્ધાંત (uncertainty principle) મુજબ અવકાશના ખૂબ નાના વિસ્તારનું અવલોકન કરવા માટે ઉચ્ચવેગમાન ધરાવતા કણની જરૂર પડે છે. (2) આઇન્સ્ટાઇને ઊર્જા E = mc2 સમીકરણ આપ્યું, જ્યાં m, કણનું દળ અને c, પ્રકાશનો વેગ છે. આ સમીકરણ મુજબ પ્રોટૉનની ઉત્તેજિત અવસ્થા માટે જરૂરી વધારાના દળ માટે ઉચ્ચ-ઊર્જા-સંઘાત(collision)ની જરૂર પડે છે.
આ રીતે પ્રોટૉનની આંતરિક સંરચના જાણવા માટે બે પ્રકારના ઉચ્ચઉર્જા ભૌતિક સિદ્ધાંતોની આવશ્યકતા રહે છે. પ્રોટૉનવાળા લક્ષમાંથી 1 GeV જેટલી ઉચ્ચ-ઊર્જાના ઇલેક્ટ્રૉનના પ્રકીર્ણનો પ્રથમ પ્રકાર છે. પ્રકીર્ણન પામેલા ઇલેક્ટ્રૉનની કોણીય ભાત અને ઊર્જા-વિતરણ પ્રોટૉનના કદ અને સંરચનાની માહિતી આપે છે. બીજા પ્રકારના ઉચ્ચ ઊર્જા-પ્રયોગમાં પ્રોટૉનની ઉત્તેજિત અવસ્થાઓ પેદા કરી તેના અભ્યાસનો સમાવેશ થાય છે. આ પ્રકારની અવસ્થાને બેરિયોનિક અનુનાદ (baryonic resonance) પણ કહે છે.
એમ. ગેલમાને અને જી. ઞ્ઝ્વાઇગે સ્વતંત્ર રીતે 1963માં સૂચવ્યું કે પ્રોટૉન ½ પ્રચક્રણ ધરાવતા ત્રણ કણોનો બનેલો છે. આવા કણોને ક્વાર્ક કહે છે. બે સમાન ક્વાર્કો છે, જે ઇલેક્ટ્રૉનના વિદ્યુતભાર(e)નો B જેટલો ધન વિદ્યુતભાર ધરાવે છે. આવા ક્વાર્કને U (up) કહે છે. બીજો ક્વાર્ક –1/3e જેટલો વિદ્યુતભાર ધરાવે છે જેને d (down) ક્વાર્ક કહે છે. આ રીતે અપૂર્ણાંક વિદ્યુતભાર ધરાવતા કણોનો ખ્યાલ અસ્તિત્વમાં આવ્યો અને પ્રોટૉનના આંતરિક માળખાને સમજવા માટે આ ખ્યાલ અત્યંત ઉપયોગી પુરવાર થયો છે. પ્રોટૉનની ઉત્તેજિત ઉચ્ચ દળ અવસ્થાઓ ત્રણ-ક્વાર્ક પ્રણાલીને સૈદ્ધાંતિક રીતે મળતી આવે છે; તેમ છતાં આને માટે વધુ ચોકસાઈપૂર્વકના અભ્યાસની જરૂર છે; કારણ કે ક્વાર્કો વચ્ચેની આંતરક્રિયાના ક્વૉન્ટમ યાંત્રિકીય સિદ્ધાંતના સમીકરણનો પરિશુદ્ધ ઉકેલ મળ્યો નથી. ક્વાર્કો વચ્ચેની આંતરક્રિયાના ક્વૉન્ટમ યાંત્રિકીય સિદ્ધાંતને ક્વૉન્ટમ વર્ણગતિકી (quantum chromodynamics – QCD) કહે છે.
QCD ક્વાર્કોની મૌલિક વર્તણૂક પ્રતિ લઈ જાય છે. QCD પ્રમાણે ક્વાર્ક વર્ણ(colour)ને નામે ઓળખાતી નવી ક્વૉન્ટમ સંખ્યા ધરાવે છે જે એકલ (single) અલગ કરેલા ક્વાર્કના સ્થાયી અસ્તિત્વને અટકાવે છે. અલગ (મુક્ત) ભૌતિક પ્રણાલીને શૂન્ય વર્ણ હોવાની જરૂરિયાત, હકીકતમાં, અપૂર્ણાંક વિદ્યુતભાર ધરાવતા મુક્ત કણના અસ્તિત્વને અટકાવે છે. આ તારણની પ્રાયોગિક ચકાસણીને ખાસ સફળતા મળી નથી.
QCD મુજબ પ્રોટૉન એ ત્રણ ક્વાર્કોની ન્યૂનતમ ઊર્જાવાળી માન્ય (allowed) અવસ્થા છે. પ્રોટૉનનો જુદા જુદા ક્વાર્કોમાં ક્ષય થતો નથી. અર્થાત્ ક્વાર્કની આંતરક્રિયાના QCD સિદ્ધાંત મુજબ પ્રોટૉન બિલકુલ સ્થાયી કણ છે.
પ્રોટૉનની સ્થિરતાનું વ્યાવહારિક મહત્વ ઘણું છે. શક્ય છે કે આ પ્રોટૉનની સ્થિરતા ભૌતિકવિજ્ઞાનના કોઈ સંરક્ષણ સિદ્ધાંતને આભારી હોય. હાઇડ્રોજન સિવાય બધાં જ તત્વોની ન્યૂક્લિયસ ન્યૂટ્રૉન અને પ્રોટૉનની બનેલી છે. વિશ્વમાં આવાં તત્વોના પરમાણુઓ સ્થાયી છે અને તેનું કારણ પ્રોટૉનની સ્થિરતા હોઈ શકે છે. શા માટે મુક્ત ક્વાર્કમાં ત્રણ ક્વાર્કની બનેલી પ્રણાલી પ્રોટૉન વિભાજિત થતી નથી તેનું વર્ણન QCD આપે છે. અહીં બીજો ખ્યાલ એ પેદા થાય છે કે ક્વાર્ક પોતે જ ક્ષય પામતો હોય; પણ આવો ખ્યાલ QCDની મર્યાદા બહારનો છે; પણ તેનો ઉત્તર એસ. વિનબર્ગ, એ. સલામ અને એસ. ગ્લેશૉવનો એકત્રિત વિદ્યુત-મંદ(unified electroweak)નો સિદ્ધાંત આપી શકે તેમ છે. આ સિદ્ધાંત જાણીતા બધા વિદ્યુતચુંબકીય અને મંદ (રેડિયો- ઍક્ટિવ ક્ષય) ઘટનાઓનું વર્ણન આપે છે અને આ ઘટનાઓનાં પ્રાયોગિક પરિણામો સાથે સુસંગત છે. આ સિદ્ધાંત સુનિશ્ચિતપણે દર્શાવે છે કે પ્રોટૉન સ્થાયી છે.
પણ ભવ્ય એકત્રીકરણનો સિદ્ધાંત (grand unification theory – GUT) તો આગાહી કરે છે કે પ્રોટૉનનો ક્ષય થાય છે. આવા પ્રોટૉનનો જીવનકાળ 1030 કે વધુ વર્ષ છે. આ જીવનકાળ વિશ્વના આયુ કરતાં 1020 ગણો વધારે છે. પ્રોટૉનક્ષયનો આગાહિત (પ્રાગુક્ત) દર (predicted rate) પ્રયોગો વડે નક્કી કરી શકાય તેમ છે.
1,000 ટન જેટલા દળના નમૂના વડે વર્ષે એકાદ બે પ્રોટૉનનો ક્ષય જાણી શકાય છે. આવો સંવેદનશીલ પ્રયોગ ઊંડે ભૂગર્ભમાં કરવો પડે છે. ભૂગર્ભ પ્રયોગમાં પણ ન્યૂટ્રિનોને કારણે પેદા થતી પશ્ચભૂમિ રૂપ અસરને દૂર કરી શકાતી નથી. આવા ન્યૂટ્રિનો, પ્રોટૉન-ક્ષયના પ્રયોગ ઉપર મર્યાદા લાદે છે.
પ્રોટૉનક્ષયનું અવલોકન થઈ શકે તો આવી આંતરક્રિયાને આધારે બ્રહ્માંડશાસ્ત્ર(cosmology)ને સમજવાનું સરળ થશે. મહાવિસ્ફોટ બાદ 10–30 સેકન્ડ સુધી એટલી બધી ઉચ્ચ ઊર્જાની સ્થિતિ પ્રવર્તતી હતી, જેથી ભવ્ય એકત્રિત આંતરક્રિયા પ્રોટૉનના ક્ષયને છૂટ આપે છે અને તે જ આંતરક્રિયા તત્પશ્ચાત્ વિશ્વની ઉત્ક્રાંતિ નક્કી કરે છે. વિશ્વ દ્રવ્ય ધરાવે છે અને પ્રોટૉનક્ષય વિશ્વમાં પ્રતિદ્રવ્યની ગેરહાજરી શા માટે છે તેની સમજૂતી આપે છે. વર્તમાન મૂળભૂત કણ આંતરક્રિયા, QCD અને વિદ્યુતમંદ સિદ્ધાંતથી એટલું તો સ્પષ્ટ છે કે આવી પ્રક્રિયાઓ દરમ્યાન સમાન સંખ્યામાં કણ અને પ્રતિકણનું સર્જન થાય છે. વિશ્વમાં પ્રતિદ્રવ્યની ગેરહાજરીને કારણે આ વર્તમાન મૂળભૂત સિદ્ધાંત વિસંગત ઠરે છે.
પ્રહલાદ છ. પટેલ