The Non-thermal Energy Window for Laser-Driven Nuclear Reactions

कॉस्मिक किचन और वाइल्ड आयन पार्टी

कल्पना कीजिए कि आप एक आदर्श भोजन बनाने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन एक स्थिर चूल्हे के बजाय, आपके पास एक अराजक रसोई है जहाँ गर्मी का स्रोत बिजली का एक कड़कता हुआ झटका (lightning bolt) है और सामग्रियां असंभव गति से इधर-उधर उड़ रही हैं। यह परमाणु भौतिकी (nuclear physics) की दुनिया है, विशेष रूप से इस अध्ययन की कि कैसे परमाणु नाभिक आपस में टकराकर जुड़ते (fuse) हैं, जिससे भारी मात्रा में ऊर्जा निकलती है। सितारों में, यह एक धीमी, स्थिर प्रक्रिया के रूप में होता है जहाँ परमाणु एक अनुमानित, व्यवस्थित तरीके से चलते हैं, जैसे किसी कॉन्सर्ट में एक शांत भीड़। वैज्ञानिकों ने इन परमाणुओं को यह अनुमान लगाने के लिए लंबे समय से एक "रेसिपी बुक" का उपयोग किया है जिसे गामो विंडो (Gamow window) कहा जाता है कि उन्हें उस शांत वातावरण में फ्यूज होने के लिए कितनी ऊर्जा की आवश्यकता है। यह समझने के लिए एक विश्वसनीय उपकरण है कि सूर्य कैसे चमकता है या ब्रह्मांड में भारी तत्व कैसे जन्म लेते हैं।

हालाँकि, पृथ्वी पर, वैज्ञानिक सुपर-पॉवरफुल लेजर का उपयोग करके इन तारकीय स्थितियों को फिर से बनाने की कोशिश कर रहे हैं। जब एक लेजर एक छोटे से लक्ष्य (target) से टकराता है, तो वह एक शांत भीड़ नहीं बनाता; बल्कि वह एक जंगली, अराजक 'मोश पिट' (mosh pit) बना देता है। आयन (ions) इतनी तेजी से त्वरित होते हैं कि वे "शांत भीड़" के सामान्य नियमों का पालन नहीं करते। उनका एक "नॉन-थर्मल" वितरण होता है, जिसका अर्थ है कि उनकी गतिएँ बहुत ही अनिश्चित हैं, जिनमें से कुछ अविश्वसनीय गति से आगे निकल जाती हैं जबकि अन्य पीछे रह जाती हैं। बड़ा सवाल यह रहा है कि: यदि परमाणु एक शांत भीड़ की तरह व्यवहार नहीं कर रहे हैं, तो क्या हम अभी भी पुराने "रेसिपी बुक" (गामो विंडो) का उपयोग यह अनुमान लगाने के लिए कर सकते हैं कि कितना फ्यूजन होगा? यदि हम गलत रेसिपी का उपयोग करते हैं, तो हमें लग सकता है कि हम एक शानदार दावत बना रहे हैं जबकि वास्तव में हम केवल टोस्ट जला रहे हैं, या इसके विपरीत। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि यदि हम फ्यूजन ऊर्जा का लाभ उठाना चाहते हैं या ब्रह्मांड के इतिहास को समझना चाहते हैं, तो हमें यह सटीक रूप से जानने की आवश्यकता है कि ये जंगली कण आपस में कैसे क्रिया कर रहे हैं।

एक जंगली मोश पिट के लिए नया मानचित्र

इस शोध पत्र में, लेखक, जो यूनसुक ह्वांग (Eunseok Hwang) और उनकी टीम के नेतृत्व में थे, ने इन जंगली लेजर-संचालित कणों को पुरानी "शांत भीड़" की रेसिपी में जबरदस्ती फिट करने की कोशिश करना बंद कर दिया। इसके बजाय, उन्होंने विशेष रूप से इस अराजकता के लिए एक नया मानचित्र बनाया। उन्होंने एक विशिष्ट सेटअप पर ध्यान केंद्रित किया जिसे "पिचर-कैचर" (pitcher-catcher) कहा जाता है, जहाँ एक लेजर एक पिचर की तरह कार्य करता है, जो आयनों की एक बीम को दूसरे लक्ष्य (कैचर) की ओर फेंकता है ताकि वे फ्यूज हो सकें।

टीम ने महसूस किया कि इस लेजर-संचालित बीम में आयन मानक, चिकनी बेल-कर्व (Maxwell-Boltzmann distribution) का पालन नहीं करते हैं जो पुरानी गामो विंडो मानती है। इसके बजाय, वे एक "सेल्फ-सिमिलर" (self-similar) पैटर्न का पालन करते हैं, जो एक विशिष्ट प्रकार की लहर (wave) की तरह है जो विस्तार होने पर भी अपना आकार बनाए रखती है। इस विशिष्ट तरंग-नुमा विस्तार का वर्णन करने वाले एक गणितीय मॉडल का उपयोग करके, लेखकों ने प्रभावी प्रतिक्रिया ऊर्जा विंडो (effective reaction energy window) की गणना करने के लिए एक नया, क्लोज्ड-फॉर्म फॉर्मूला निकाला है।

इसे इस तरह समझें: पुराने तरीके ने माना था कि आयन मछली के एक झुंड की तरह हैं जो एक स्थिर औसत गति से तैर रहे हैं। नया तरीका पहचानता है कि वे पक्षियों के एक झुंड की तरह हैं जहाँ अधिकांश धीरे उड़ रहे हैं, लेकिन कुछ सुपरसोनिक गति से गोता लगा रहे हैं। लेखकों ने पाया कि इस जंगली वितरण के कारण, "स्वीट स्पॉट" (sweet spot) जहाँ वास्तव में फ्यूजन होता है, अलग है। उन्होंने एक नया "पीक एनर्जी" (जिसे वे $E_0$ कहते हैं) की गणना की जहाँ फ्यूजन होने की सबसे अधिक संभावना होती है।

यहाँ वह मोड़ (twist) है जो उन्होंने खोजा: पुराना तरीका, जो इस अराजक डेटा पर एक चिकनी वक्र (smooth curve) फिट करने की कोशिश करता है, भविष्यवाणी करता है कि फ्यूजन उच्च ऊर्जा स्तर पर होता है। विशेष रूप से, एक ड्यूटेरियम-ड्यूटेरियम ($D+D$) प्रतिक्रिया के लिए, पुराने तरीके ने सुझाव दिया था कि पीक ऊर्जा लगभग 0.494 MeV थी। हालाँकि, लेखकों की नई गणना दिखाती है कि वास्तविक पीक वास्तव में कम है, जो 0.305 MeV है। यह लगभग 1.6 गुना का अंतर है! इसका मतलब है कि यदि वैज्ञानिक अपने लेजर प्रयोगों की व्याख्या करने के लिए पुराने "शांत भीड़" की रेसिपी का उपयोग कर रहे थे, तो वे गलत ऊर्जा रेंज में फ्यूजन की तलाश कर रहे थे। नया मानचित्र दिखाता है कि फ्यूजन वास्तव में पहले की तुलना में कम-ऊर्जा वाली विंडो में हो रहा है।

यह पेपर यह गणना करने का एक तरीका भी प्रदान करता है कि लेजर की तीव्रता और लक्ष्य के गुणों के आधार पर कितना फ्यूजन (रिएक्टिविटी, जिसे $\langle \sigma v \rangle$ द्वारा दर्शाया जाता है) होगा। उन्होंने पाया कि एक "इष्टतम" इलेक्ट्रॉन तापमान (जो लेजर की शक्ति से संबंधित है) होता है जो फ्यूजन दर को अधिकतम करता है। $D+D$ प्रतिक्रिया के लिए, वे भविष्यवाणी करते हैं कि यह अधिकतम 10.85 MeV के इलेक्ट्रॉन तापमान पर होता है, जो 6.752 × 10²⁰ के लेजर तीव्रता पैरामीटर ($I\lambda^2_\mu$) के अनुरूप है।

लेखकों ने अपने नए फॉर्मूले का परीक्षण कई वास्तविक दुनिया के लेजर प्रयोगों के डेटा के विरुद्ध किया, जिसमें लेजर फ्यूजन रिसर्च सेंटर (LFRC), इंस्टीट्यूट ऑफ लेजर इंजीनियरिंग (ILE), और LULI के प्रयोग शामिल थे। उन्होंने पाया कि उनका नया फॉर्मूला अधिकांश मामलों में परिणामों के साथ बहुत अच्छी तरह मेल खाता है, विशेष रूप से जब लेजर पल्स पर्याप्त लंबे होते हैं ताकि आयन उस अनुमानित तरंग पैटर्न में स्थिर हो सकें। हालाँकि, उन्होंने उल्लेख किया कि अत्यंत संक्षिप्त, तीव्र पल्स (जैसे RRCAT में) के लिए, आयनों के पास वह सुंदर तरंग बनाने के लिए पर्याप्त समय नहीं होता है, और फॉर्मूला विफल होने लगता है, जिसके लिए अधिक जटिल कंप्यूटर सिमुलेशन की आवश्यकता होती है।

यह क्यों महत्वपूर्ण है

यह कार्य ऐसा है जैसे वैज्ञानिकों को एक नया चश्मा देना। इससे पहले, वे शांत, स्थिर सितारों के लिए डिज़ाइन किए गए लेंसों के माध्यम से अपने जंगली, लेजर-संचालित फ्यूजन प्रयोगों को देख रहे थे। नए लेंस उन जंगली, तेज़ गति वाली वास्तविकता के लिए ट्यून किए गए हैं जो लेजर लैब में होती है। इस नए ढांचे का उपयोग करके, शोधकर्ता अब अधिक सटीकता से "एस्ट्रोफिजिकल एस-फैक्टर" (astrophysical S-factor) का पता लगा सकते हैं—एक ऐसी संख्या जो बताती है कि कम ऊर्जा पर नाभिक के फ्यूज होने की कितनी संभावना है। यह समझने के लिए कि ब्रह्मांड में तत्वों का निर्माण कैसे होता है, यह अत्यंत महत्वपूर्ण है।

लेखक सुझाव देते हैं कि जबकि उनकी नई विधि एक शक्तिशाली उपकरण है, यह कोई जादुई छड़ी नहीं है जो सब कुछ तुरंत हल कर देती है। यह यह जानने पर निर्भर करती है कि बीम में कितने आयन हैं और वे कैसे वितरित हैं, जिसे मापना वास्तव में कठिन हो सकता है। वे चेतावनी देते हैं कि लक्ष्य की मोटाई, अशुद्धियाँ और इलेक्ट्रॉनों का अराजक व्यवहार अभी भी आंकड़ों को बिगाड़ सकता है। इसलिए, हालांकि यह नया मानचित्र "जंगली मोश पिट" में नेविगेट करने के लिए एक बड़ा कदम है, वैज्ञानिकों को अभी भी सावधानी बरतने और विस्तृत सिमुलेशन एवं सटीक माप के साथ अपने काम की दोबारा जांच करने की आवश्यकता होगी। यह रेसिपी को पढ़ने का एक बेहतर तरीका है, लेकिन रसोई अभी भी थोड़ी अस्त-व्यस्त है।