ATLAS ল্যাবে cosmic-ray shower পুনর্গঠনে proton-oxygen সংঘর্ষ ব্যবহার করেছে

LHC আকাশ থেকে আসা একটি সমস্যাকে মোকাবিলা করছে

Cosmic rays ক্রমাগত পৃথিবীর বায়ুমণ্ডলে আঘাত হানছে, যার ফলে গৌণ কণার এমন এক শৃঙ্খল তৈরি হয় যা আকাশজুড়ে ছড়িয়ে পড়ে এবং মাটিতে থাকা detectors-এর ভেতর দিয়ে অতিক্রম করে। এসব shower মহাবিশ্বের কিছু সর্বোচ্চ শক্তির কণা সম্পর্কে গুরুত্বপূর্ণ তথ্য দেয়, কিন্তু মূল সংঘর্ষ পদার্থবিদ্যাকে সঠিকভাবে model করা কঠিন হওয়ায় এগুলো ব্যাখ্যা করা জটিল। এখন ATLAS Collaboration বলছে, Large Hadron Collider-এ proton-oxygen সংঘর্ষের তাদের প্রথম পরিমাপ এই ব্যবধান পূরণে সাহায্য করতে পারে।

এই নতুন ফলাফল এসেছে LHC-এর এমন এক mode থেকে, যা July 2025-এ প্রথম চালানো হয়েছিল, যখন proton beams-কে oxygen ion beams-এর সঙ্গে সংঘর্ষে আনা হয়। সেই সেটআপে proton beam একটি cosmic ray-এর মতো কাজ করে, আর oxygen beam পৃথিবীর বায়ুমণ্ডলের একটি অংশের প্রতিনিধি, যা প্রধানত nitrogen ও oxygen দিয়ে গঠিত। ফলে এটি বায়ুমণ্ডলীয় particle shower চালানো মৌলিক interactionগুলোর একটি নিয়ন্ত্রিত পুনর্নির্মাণের উপায় দেয়।

Cosmic-ray ডেটা বোঝা এত কঠিন কেন

আধুনিক cosmic-ray observatories বায়ুমণ্ডলে আঘাতের পর তৈরি হওয়া shower সনাক্ত করে incoming কণার প্রকৃতি অনুমান করে। কিন্তু এই shower patternগুলো strong force-এর ওপর নির্ভর করে, যা প্রকৃতির মৌলিক interactionগুলোর একটি এবং cosmic rays-সংক্রান্ত উচ্চ-শক্তি, বহু-কণা পরিবেশে এটিকে model করা অত্যন্ত কঠিন।

CERN-এর মতে, বর্তমান simulations পরস্পরের সঙ্গে একমত নয়। সেই অমিল মাটিতে করা পরিমাপ থেকে astrophysicists ঠিক কী সিদ্ধান্তে পৌঁছাতে পারেন তা সীমিত করে। যদি simulation framework-ই ভুল হয়, তবে cosmic rays-এর শক্তি, গঠন বা উৎস সম্পর্কিত অনুমানও বিকৃত হতে পারে।

এখানেই collider data কাজে লাগে। একটি laboratory collision প্রাকৃতিক cosmic-ray ঘটনার সব বৈশিষ্ট্য পুনরায় সৃষ্টি করে না, কিন্তু আরও নিয়ন্ত্রিত পরিস্থিতিতে particle production-এর সরাসরি পরিমাপ দিতে পারে। পরে এই পরিমাপগুলো observatories যে simulation tool-গুলোর ওপর নির্ভর করে সেগুলো পরীক্ষা ও fine-tune করতে ব্যবহার করা যায়।

ATLAS আসলে কী মেপেছে

collaboration-এর preprint অনুযায়ী, physicists proton-oxygen সংঘর্ষে উৎপন্ন electrically charged particles ট্র্যাক করে বিশ্লেষণ করেছেন। তারা মেপেছেন এই ধরনের কণাগুলো কত ঘন ঘন তৈরি হয়, কতগুলো তৈরি হয়, এবং collision অঞ্চল থেকে কোন শক্তি ও কোণে বেরিয়ে আসে।

এই ধরনের তথ্যই shower models-এর দরকার। cosmic-ray cascade-এর শুরুর ধাপ নির্ভর করে incoming উচ্চ-শক্তির কণাটি কীভাবে তার শক্তি secondary-দের একটি spray-এ স্থানান্তর করে তার ওপর। multiplicity, angular spread, এবং energy distribution-এ পার্থক্য পুরো simulated shower জুড়ে ছড়িয়ে পড়তে পারে।

এরপর ATLAS measured charged-particle distributions-কে cosmic-ray observatories-এর ডেটা ব্যাখ্যায় সাধারণত ব্যবহৃত কয়েকটি simulation-এর পূর্বাভাসের সঙ্গে তুলনা করেছে। উদ্দেশ্য ছিল শুধু প্রথম পরিমাপ প্রকাশ করা নয়, বরং model-গুলো কোথায় মেলে এবং কোথায় ব্যর্থ হয় তা শনাক্ত করা।

একটি collider, cosmic-ray laboratory হয়ে উঠেছে

এই ফলাফলের শক্তি ধারণাগত। LHC সাধারণত Higgs boson বা নতুন কণা অনুসন্ধানের মতো fundamental particle physics প্রশ্নের সঙ্গে যুক্ত। এখানে ATLAS এক ভিন্ন ভূমিকায় কাজ করছে: astrophysics-এর calibration laboratory হিসেবে। এটি পৃথিবীর কয়েক দশ কিলোমিটার ওপরে স্বাভাবিকভাবে ঘটে এমন এক শ্রেণির সংঘর্ষকে আরও পরিষ্কার পরিবেশে পুনর্গঠন করছে।

particle physics এবং cosmic-ray science-এর মধ্যে এই সেতু বিশেষভাবে মূল্যবান, কারণ সর্বোচ্চ শক্তিতে primary cosmic rays-এর সরাসরি পরিমাপ বিরল এবং কঠিন। atmospheric shower ব্যাখ্যার জন্য ব্যবহৃত model-গুলো উন্নত করলে collider data পরোক্ষভাবে observatories যে সিদ্ধান্তগুলো নেয় সেগুলো আরও সুনির্দিষ্ট করতে পারে।

এই কাজ বায়ুমণ্ডল সম্পর্কে একটি ব্যবহারিক বিষয়ও দেখায়। oxygen যেহেতু বাতাসের একটি প্রধান উপাদান, তাই proton-oxygen data অনেক standard proton-proton collider dataset-এর চেয়ে cosmic-ray interaction-এর জন্য বেশি সরাসরি প্রাসঙ্গিক। ফলে এই পরিমাপটি সাধারণ কোনো input নয়, বরং একটি লক্ষ্যভিত্তিক input।

এরপর কী বদলাবে

বর্তমান ফলাফলটি প্রথম proton-oxygen collision run-এর ওপর ভিত্তি করে এবং arXiv-এ পোস্ট করা paper হিসেবে বর্ণিত, তাই এটি চূড়ান্ত উত্তর নয়, বরং একটি প্রথম ধাপ। তবে এটি cosmic-ray research-এর কেন্দ্রীয় hadronic interaction model-গুলো benchmark ও উন্নত করতে ব্যবহৃত হতে পারে এমন একটি নতুন dataset তৈরি করেছে।

উন্নত model শেষ পর্যন্ত cosmic rays কী এবং কোথা থেকে আসে তার আরও ভালো reconstruction দেবে। সেটাই দীর্ঘমেয়াদি বৈজ্ঞানিক লাভ। observatories যদি তাদের shower simulation-এ বেশি আস্থা রাখতে পারে, তবে ব্যাখ্যার মতভেদ modeling-এর চেয়ে source-এর astrophysics-এর সঙ্গে বেশি সম্পর্কিত হবে।

ATLAS এক আঘাতে cosmic-ray puzzle সমাধান করেনি। তবে এটি যা করেছে, তা হলো এর সবচেয়ে stubborn uncertainty-গুলোর একটির ওপর নতুন একটি experimental foothold দেওয়া। proton-oxygen সংঘর্ষ সরাসরি মেপে সহযোগিতাটি একটি particle collider-কে এমন একটি উপকরণে পরিণত করেছে, যা গ্রহের অনেক উপরে শুরু হয়ে প্রতি সেকেন্ডে আমাদের চারপাশের বাতাসে শেষ হওয়া phenomena বোঝাতে সাহায্য করে।

এই নিবন্ধটি Phys.org-এর প্রতিবেদনের ভিত্তিতে লেখা। মূল নিবন্ধ পড়ুন.