Spin distribution of fission fragments involving bending and wriggling modes
यह शोधपत्र एक बंद विश्लेषणात्मक मॉडल प्रस्तुत करता है जो निम्न-ऊर्जा विखंडन खंडों (fission fragments) के स्पिन वितरण को कोल्ड प्री-फ्रैग्मेंट्स के ज़ीरो-पॉइंट बेंडिंग और रिगलिंग दोलनों (zero-point bending and wriggling oscillations) के प्रति आनुपातिक मानता है, जो विखंडन विरूपणों (scission deformations) से प्राप्त हाइड्रोडायनामिक मोमेंट्स ऑफ इनेर्शिया का उपयोग करके प्रयोगात्मक माध्य स्पिन और उनके द्रव्यमान-निर्भर सॉटू पैटर्न (mass-dependent sawtooth patterns) को सफलतापूर्वक पुनरुत्पादित करता है।
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कल्पना कीजिए कि परमाणु आटे के दो विशाल, डगमगाते हुए लोथड़े एक-दूसरे से दूर खिंच रहे हैं और फिर अचानक दो अलग टुकड़ों में टूट जाते हैं। यही परमाणु विखंडन (न्यूक्लियर fission) है। लेकिन यहाँ एक रहस्य है: जब ये टुकड़े टूटते हैं, तो वे केवल स्थिर नहीं होते; वे लट्टू की तरह पागलों की तरह घूम रहे होते हैं। वास्तव में, वे मूल लोथड़े की तुलना में बहुत अधिक तेजी से घूमते हैं। दशकों तक, वैज्ञानिक इस बात पर बहस करते रहे हैं कि वे इतनी तेजी से क्यों घूमते हैं।
कुछ ने सोचा कि यह दो विकृत चुंबकों के बीच विद्युत बल के कारण एक-दूसरे को धकेलने जैसा है, लेकिन गणित ने दिखाया कि इतनी उच्च गति पैदा करने के लिए यह पर्याप्त नहीं होगा। अन्य लोगों ने सुझाव दिया कि टुकड़े "गर्म" थे और पैन में पॉपकॉर्न की तरह बेतरतीब ढंग से उछल रहे थे। लेकिन यह नया शोध पत्र एक अधिक शांत और शीतल कहानी प्रस्तावित करता है।
"कोल्ड स्नैप" (Cold Snap) सिद्धांत
लेखक, जो रूस की एक टीम है, सुझाव देते हैं कि ठीक उस क्षण जब नाभिक दो भागों में टूटता है, तो वह वास्तव में "ठंडा" होता है। इसे कांच के एक ठंडे टुकड़े के टूटने जैसा समझें। ऊर्जा ऊष्मा (heat) के रूप में संग्रहीत नहीं होती है (जो टुकड़ों को बेतरतीब ढंग से उछलाती); बल्कि, यह एक अजीब, खींचे हुए आकार के रूप में संग्रहीत होती है। क्योंकि नाभिक इस खींचे हुए अवस्था में "जमा" (frozen) होता है, इसलिए इसके पास केवल वही सूक्ष्म, अपरिहार्य "थरथराहट" (jitter) बचती है जो क्वांटम मैकेनिक्स कहता है कि हर चीज़ में होनी ही चाहिए, यहाँ तक कि परम शून्य (absolute zero) पर भी।
वे इन थरथराहटों को "व्रीगलिंग" (wriggling - टेढ़े-मेढ़े हिलना) और "बेंडिंग" (bending - झुकना) मोड कहते हैं।
- व्रीगलिंग (Wriggling): कल्पना कीजिए कि दो बच्चे एक सी-सॉ (seesaw) पर हैं। यदि वे दोनों अपने पैरों को एक ही दिशा में हिलाते हैं, तो संतुलन बनाए रखने के लिए पूरा सी-सॉ दूसरी दिशा में झुक जाएगा। नाभिक में, दो टुकड़े एक साथ हिलते हैं, और कुल स्पिन शून्य रखने के लिए पूरे सिस्टम को विपरीत दिशा में घूमना पड़ता है।
- बेंडिंग (Bending): अब कल्पना करें कि बच्चे अपने घुटनों को विपरीत दिशाओं में मोड़ते हैं। एक बाईं ओर झुकता है, दूसरा दाईं ओर। यह एक ऐसा स्पिन बनाता है जहाँ दो टुकड़े विपरीत दिशाओं में घूमते हैं।
यह शोध पत्र तर्क देता है कि ये दो विशिष्ट "थरथराहटें" ही एकमात्र कारण हैं कि टुकड़े अंत में इतनी तेजी से घूमते हैं। वे इस विचार को खारिज करते हैं कि टुकड़े "गर्म" थे और बेतरतीब ढंग से उछल रहे थे, या विद्युत बलों ने मुख्य भूमिका निभाई थी।
स्पिन का आकार
यहीं पर लेखक बहुत चतुर हो जाते हैं। लेखकों ने केवल स्पिन की गति का अनुमान नहीं लगाया; उन्होंने गणना की कि टुकड़े टूटने के ठीक समय पर कितने दबे हुए या खिंचे हुए थे। उन्होंने एक "हाइड्रोडायनामिक मॉडल" का उपयोग किया, जो नाभिक को एक ठोस चट्टान के बजाय बहते हुए तरल की तरह मानता है।
उन्होंने पाया कि टुकड़ों का "कठोरपन" (stiffness) - यानी उन्हें घुमाना कितना कठिन है - पूरी तरह से इस बात पर निर्भर करता है कि टूटने के ठीक उस क्षण में उनका आकार कैसा था।
- यदि कोई टुकड़ा एक पूर्ण गोले (जैसे प्रोटॉन या न्यूट्रॉन की 'मैजिक नंबर' वाली स्थिति) के आकार का है, तो उसे घुमाना कठिन होता है, इसलिए उसमें कम स्पिन होता है।
- यदि वह एक रग्बी बॉल की तरह खींचा हुआ है, तो उसे घुमाना आसान होता है, इसलिए उसमें अधिक स्पिन होता है।
यही वह चीज़ है जो एक अजीब पैटर्न को समझाती है जिसे वैज्ञानिक वर्षों से देख रहे हैं: एक "सॉटूथ" (sawtooth - आरी के दांत जैसा) ग्राफ। यदि आप टुकड़े के द्रव्यमान के विरुद्ध स्पिन की गति को दर्शाते हैं, तो यह आरी के दांतों की तरह ऊपर-नीचे होता है। यह शोध पत्र दिखाता है कि ऐसा इसलिए होता है क्योंकि "नियर-मैजिक" (near-magic) टुकड़े (गोलाकार वाले) बहुत कम स्पिन रखते हैं, जबकि उनके बीच के विकृत (deformed) टुकड़ों में उच्च स्पिन होता है।
संख्याएँ और प्रमाण
टीम ने अपने विचार का परीक्षण तीन अलग-अलग परमाणु प्रतिक्रियाओं के वास्तविक डेटा के विरुद्ध किया:
- थोरियम-232 जिस पर एक न्यूट्रॉन टकराया।
- यूरेनियम-238 जिस पर एक न्यूट्रॉन टकराया।
- कैलिफ़ोर्नियम-252 जो अपने आप विभाजित हो रहा है।
उन्होंने द्रव्यमान 82 से लेकर 158 तक के टुकड़ों के औसत स्पिन की गणना की। उनके परिणाम प्रयोगात्मक डेटा के साथ आश्चर्यजनक रूप से मेल खाते हैं। उदाहरण के लिए, यूरेनियम-238 की प्रतिक्रिया में, उन्होंने जर्मेनियम-82 टुकड़े के लिए लगभग 4.69 ℏ और नियोडिमियम-157 के लिए 8.56 ℏ का स्पिन अनुमानित किया। ये संख्याएँ प्रयोगशाला में मापी गई वास्तविक संख्याओं के अनुरूप हैं।
उन्होंने "सॉटूथ" पैटर्न को भी देखा। कैलिफ़ोर्नियम-252 के स्वतःस्फूर्त विखंडन (spontaneous fission) में, उनके मॉडल ने नियोडिमियम-152 टुकड़े के लिए 8.99 ℏ का स्पिन अनुमानित किया, जो डेटा में देखे गए ऊबड़-खाबड़ पैटर्न में बिल्कुल फिट बैठता है।
जो उन्होंने अभी तक हल नहीं किया (अभी भी)
यह शोध पत्र सावधानीपूर्वक यह दावा करने से बचता है कि उन्होंने सब कुछ हल कर लिया है।
- वे स्वीकार करते हैं कि उनका मॉडल "प्राथमिक" (primary) टुकड़ों का वर्णन करता है (जो टूटने के तुरंत बाद के टुकड़े हैं), जबकि लैब डेटा "द्वितीयक" (secondary) टुकड़ों को मापता है (जो कुछ न्यूट्रॉन और गामा किरणें छोड़ने के बाद बनते हैं)। हालाँकि, वे तर्क देते हैं कि चूंकि विखंडन ऊर्जा कम है, इसलिए ठंडा होने की इस अवधि के दौरान स्पिन में बहुत अधिक बदलाव नहीं होता है, इसलिए तुलना अभी भी वैध है।
- वे नोट करते हैं कि कुछ बहुत ही विशिष्ट, नियर-मैजिक टुकड़ों (जैसे टिन-130) के लिए, उनका वक्र (curve) प्रयोग के एरर बार (error bars) के भीतर नहीं पहुँच सका। यह सुझाव देता है कि उनका मॉडल एक बहुत अच्छा सन्निकटन (approximation) है, लेकिन शायद हर एक मामले के लिए एकदम सटीक नहीं है।
- वे यह भी उल्लेख करते हैं कि अन्य वैज्ञानिक अलग-अलग तरीकों का उपयोग करते हैं, जैसे "सांख्यिकीय" (statistical) मॉडल (जो मानते हैं कि नाभिक गर्म है) या जटिल कंप्यूटर सिमुलेशन (TDDFT)। उनकी विधि सरल और तेज़ है, जो भौतिकी के लिए एक स्पष्ट, पारदर्शी खिड़की की तरह कार्य करती है, जबकि अन्य मॉडल कई समायोज्य बटनों वाली मोटी, धुंधली दीवारों की तरह हैं।
निष्कर्ष
यह शोध पत्र सुझाव देता है कि परमाणु टुकड़ों का उन्मत्त घूमना गर्मी या विद्युत धक्के के कारण नहीं, बल्कि एक ठंडे, खींचे हुए नाभिक के दो भागों में टूटने के दौरान होने वाली क्वांटम "थरथराहट" के कारण है। नाभिक को एक बहते हुए तरल के रूप में मानकर और टूटने से ठीक पहले उसके आकार में होने वाले परिवर्तन को देखकर, लेखक एक सरल सूत्र के साथ स्पिन की गति की भविष्यवाणी कर सकते हैं। यह एक पुराने प्रश्न पर एक नया, "ठंडा" दृष्टिकोण है जो डेटा के साथ उतना ही सटीक बैठता है जितना कि अधिक जटिल सिद्धांत, जो यह सिद्ध करता है कि कभी-कभी सबसे सरल स्पष्टीकरण ही सबसे अधिक वजन रखता है।
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