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Microscopic quasifission dynamics of the ${}^{54}\text{Cr}+{}^{243}\text{Am}$ reaction

पूर्णतः सूक्ष्मदर्शीय समय-निर्भर हार्ट्री-फोक सिमुलेशनों का उपयोग करते हुए, यह अध्ययन प्रकट करता है कि $^{54}\text{Cr}+^{243}\text{Am}$ अभिक्रिया में क्वासीफिशन गतिकी टक्कर की ज्यामिति और आपतित ऊर्जा के बीच एक जटिल परस्पर क्रिया द्वारा नियंत्रित होती है, जहाँ विशिष्ट ऊर्जा खिड़कियाँ सुपरहैवी तत्व 119 के संश्लेषण के लिए संलयन प्रायिकता को संभावित रूप से बढ़ाने हेतु शैल प्रभावों (shell effects) को दबा सकती हैं।

मूल लेखक: Liang Li, Lu Guo

प्रकाशित 2026-03-10

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Liang Li, Lu Guo

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

मुख्य चित्र: एक "सुपर-हैवी" लेगो टावर बनाने की कोशिश

कल्पना कीजिए कि आप जितना संभव हो सके उतना ऊँचा और भारी लेगो टावर बनाने की कोशिश कर रहे हैं। परमाणुओं की दुनिया में, इन "सुपर-हैवी" टावरों को सुपरहेवी एलिमेंट्स (SHEs) कहा जाता है। वैज्ञानिक एक निश्चित ऊंचाई (एलिमेंट 118) तक टावर बनाने में सफल रहे हैं, लेकिन अगले वाले (एलिमेंट 119 और 120) बनाने की कोशिश करना अविश्वसनीय रूप से कठिन है।

क्यों? क्योंकि जब आप दो छोटे लेगो ब्लॉक्स को आपस में जोड़कर एक बड़ा ब्लॉक बनाने की कोशिश करते हैं, तो वे अक्सर आपस में चिपकते नहीं हैं। इसके बजाय, वे एक-दूसरे से टकराकर अलग हो जाते हैं या तुरंत टूट जाते हैं। भौतिकी (physics) में, इस टूटने को क्वासी-फिशन (QF) कहा जाता है। यह मिट्टी के दो गोलों को आपस में मिलाने की कोशिश करने जैसा है, लेकिन एक बड़ा गोला बनने के बजाय, वे वास्तव में मिक्स होने से पहले ही वापस अलग हो जाते हैं।

यह शोध पत्र एक कंप्यूटर सिमुलेशन अध्ययन है जो यह समझने की कोशिश कर रहा है कि यह टूटना (shattering) ठीक क्यों होता है और हम एलिमेंट 119 को सफलतापूर्वक बनाने के लिए इसे कैसे रोक सकते हैं।

प्रयोग: "क्रैश टेस्ट" सिमुलेशन

वैज्ञानिकों ने एक सुपर-एडवांस्ड कंप्यूटर प्रोग्राम (जिसे टाइम-डिपेंडेंट हार्ट्री-फॉक थ्योरी कहा जाता है) का उपयोग करके एक विशिष्ट क्रैश टेस्ट का सिमुलेशन किया:

प्रोजेक्टाइल (Projectile): एक क्रोमियम-54 परमाणु (जैसे एक तेज रफ्तार कार)।
टारगेट (Target): एक अमेरिकियम-243 परमाणु (जैसे एक स्थिर दीवार)।

वे देखना चाहते थे कि जब ये दोनों आपस में टकराते हैं तो क्या होता है। लेकिन यहाँ एक पेंच है: परमाणु आदर्श गोले नहीं होते; वे अक्सर रग्बी बॉल या अजीब, नाशपाती के आकार के धब्बों जैसे होते हैं। इसलिए, वैज्ञानिकों को उन्हें हर संभव कोण (angle) पर टकराने का सिमुलेशन करना पड़ा।

उपमा 1: रग्बी बॉल क्रैश

कल्पना कीजिए कि दो रग्बी खिलाड़ी एक-दूसरे को टैकल करने की कोशिश कर रहे हैं।

साइड कोलिजन (Side Collision): यदि वे एक-दूसरे से बगल से (side-to-side) टकराते हैं, तो उनका सतह क्षेत्र (surface area) अधिक होता है। वे आपस में जुड़ सकते हैं, लुढ़क सकते हैं और अंततः अलग हो सकते हैं।
टिप कोलिजन (Tip Collision): यदि एक खिलाड़ी दूसरे को सिर से (tip-to-tip) टक्कर मारता है, तो वे जल्दी से टकराकर अलग हो सकते हैं या एक-दूसरे के बगल से फिसल सकते हैं।

शोध पत्र में पाया गया कि आप टक्कर को कैसे निशाना बनाते हैं, यह आपकी सोच से कहीं अधिक महत्वपूर्ण है।

मुख्य खोज 1: परमाणु शैल (Shells) का "चुंबकीय" खिंचाव

सबसे आश्चर्यजनक खोज यह है कि परमाणु केवल पदार्थ के यादृच्छिक (random) धब्बे नहीं हैं; उनके पास ऊर्जा स्तरों से बना एक आंतरिक "कंकाल" होता है जिसे शेल (shells) कहा जाता है। इन शेल्स को एक सीढ़ी के डंडों की तरह समझें। यदि एक डंडा पूरी तरह से भरा हुआ है, तो परमाणु बहुत स्थिर और "कठोर" महसूस करता है।

साइड कोलिजन (द स्टिकी वन): जब परमाणु बगल से टकराते हैं, तो वे इन "चुंबकीय" शेल डंडों द्वारा खींचे जाते हैं। भारी हिस्सा एक ऐसा परमाणु बनना चाहता है जिसमें 82 प्रोटॉन हों (एक बहुत ही स्थिर संख्या, जैसे सीढ़ी का एक आदर्श डंडा)। हल्का हिस्सा एक ऐसा परमाणु बनना चाहता है जिसमें 52-56 न्यूट्रॉन हों (एक अन्य स्थिर स्थान)।
- परिणाम: परमाणु इन स्थिर आकारों में "अटक" जाते हैं, लेकिन क्योंकि वे इतने कठोर होते हैं, वे तेजी से टूट जाते हैं। यह एक सख्त धातु की छड़ को मोड़ने की कोशिश करने जैसा है; यह मुड़ने का विरोध करती है और फिर टूट जाती है। यह बहुत तेजी से होता है, और परमाणु आपस में जुड़ (fuse) नहीं पाते।
टिप कोलिजन (द बाउंसी वन): जब वे सिर से टकराते हैं, तो ये "चुंबकीय" खिंचाव बहुत कमजोर होता है। परमाणु इन विशिष्ट स्थिर आकारों में आसानी से नहीं फंसते। वे कम कणों का आदान-प्रदान करते हैं और आपसी क्रिया कम नाटकीय होती है।

निष्कर्ष: "साइड" वाली टक्करें वास्तव में विफलता दर (failure rate) के लिए जिम्मेदार हैं क्योंकि परमाणु अपनी आंतरिक स्थिरता के प्रति बहुत आकर्षित हो जाते हैं और एक नए, बड़े तत्व में मिलने से इनकार कर देते हैं।

मुख्य खोज 2: टक्कर की गति (ऊर्जा मायने रखती है)

वैज्ञानिकों ने टक्कर की गति (ऊर्जा) को भी बदला। उन्होंने पाया कि आप कितनी जोर से टकराते हैं, इसके आधार पर खेल के नियम बदल जाते हैं।

कम ऊर्जा (द ऑक्टोपोल ज़ोन): कुछ गतियों पर, परमाणु ऐसे व्यवहार करते हैं जैसे उन्होंने एक विशिष्ट प्रकार का कवच (ऑक्टोपोल विरूपण/deformation) पहना हो। वे एक अजीब, नाशपाती जैसे आकार में स्थिर हो जाते हैं।
उच्च ऊर्जा (द स्फेरिकल ज़ोन): जैसे-जैसे आप अधिक जोर से टकराते हैं, वह अजीब कवच पिघल जाता है, और परमाणु फिर से आदर्श गोले की तरह व्यवहार करने लगते हैं, जो "82 प्रोटॉन" के स्थिर आकार की तलाश में रहते हैं।
द स्वीट स्पॉट (The Sweet Spot): एक विशिष्ट ऊर्जा रेंज (लगभग 226 MeV) है जहाँ ये "चुंबकीय" खिंचाव या तो बंद हो जाते हैं या भ्रमित हो जाते हैं।

उपमा 2: डांस फ्लोर
कल्पना कीजिए कि परमाणु डांसर हैं।

कम ऊर्जा पर, वे एक धीमी, कठोर वाल्ट्स (waltz) कर रहे हैं जहाँ वे विशिष्ट मुद्राओं (shells) में फंस जाते हैं।
उच्च ऊर्जा पर, वे एक तेज़, अराजक नृत्य कर रहे हैं जहाँ वे अलग-अलग मुद्राओं में घूमते हैं।
स्वीट स्पॉट पर, संगीत रुक जाता है, कठोर नियम गायब हो जाते हैं, और डांसरों के पास वास्तव में एक नया जोड़ा (fusion) बनने के लिए हाथ पकड़ने का मौका होता है, बजाय इसके कि वे अलग होकर घूमते रहें।

यह क्यों मायने रखता है?

वर्षों से, वैज्ञानिक एलिमेंट 119 बनाने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन "क्वासी-फिशन" (टूटने की प्रक्रिया) हर बार जीत रही है। इसकी पैदावार (yield) यानी नए परमाणुओं के बनने की संख्या इतनी कम है कि वह लगभग शून्य है।

यह शोध पत्र एक नई रणनीति का सुझाव देता है: सिर्फ किसी भी गति को न चुनें।

यदि हम अपने पार्टिकल एक्सेलेरेटर को उस "स्वीट स्पॉट" ऊर्जा पर ट्यून कर सकें जहाँ परमाणुओं के आंतरिक "चुंबकीय" खिंचाव दब जाते हैं, तो हम शायद टूटने (shattering) को कम कर सकते हैं। यदि हम टूटने को कम कर सकते हैं, तो परमाणुओं के पास एक साथ जुड़ने और एक नए, सुपरहेवी तत्व में फ्यूज होने का बेहतर मौका होगा।

एक वाक्य में सारांश

यह सिमुलेशन कि दो परमाणु अलग-अलग कोणों और गति से कैसे टकराते हैं, यह बताता है कि परमाणुओं के आंतरिक "स्थिरता क्षेत्र" आमतौर पर उन्हें तोड़ने का कारण बनते हैं, लेकिन यदि हम उन्हें बिल्कुल सही गति पर टकराते हैं, तो हम उन्हें फ्यूज होने के लिए चकमा दे सकते हैं।

यहाँ "Microscopic quasiﬁssion dynamics of the 54Cr + 243Am reaction" शोध पत्र का विस्तृत तकनीकी सारांश दिया गया है:

1. समस्या विवरण (Problem Statement)

ओगानेसन ( $Z=118$ ) के आगे के सुपरहैवी तत्वों (SHEs), विशेष रूप से तत्वों 119 और 120 के संश्लेषण के सामने एक गंभीर बाधा है: क्वासीफिशन (QF) प्रक्रिया। भारी-आयन संलयन (fusion) प्रतिक्रियाओं में, कैप्चर किया गया डाइन्यूक्लियर सिस्टम अक्सर पूर्णतः साम्यावस्था वाले कंपाउंड न्यूक्लियस तक पहुँचने से पहले ही दो टुकड़ों में पुनः अलग हो जाता है। यह QF चैनल फ्यूजन पर हावी रहता है, जिससे इवेपोरेशन-रेसिड्यू क्रॉस-सेक्शन नाटकीय रूप से घटकर फेम्टोबार्न (femtobarn) स्तर या उससे भी कम हो जाता है।

विशिष्ट प्रतिक्रिया प्रणाली $^{54}\text{Cr} + ^{243}\text{Am}$ तत्व 119 के संश्लेषण के लिए एक प्राथमिक उम्मीदवार है। हालाँकि, इष्टतम प्रयोगात्मक स्थितियों की भविष्यवाणी करना चुनौतीपूर्ण है क्योंकि QF गतिकी (dynamics) निम्नलिखित कारकों के जटिल अंतर्संबंधों द्वारा नियंत्रित होती है:

एंट्रेंस चैनल के स्वतंत्रता स्तर (collision energy, impact parameter)।
अभिकारकों (reactants) का नाभिकीय विरूपण (nuclear deformation) और ओरिएंटेशन।
उभरते हुए टुकड़ों (fragments) में क्वांटम शेल प्रभाव (quantum shell effects)।
न्यूट्रॉन-टू-प्रोटॉन विषमता (asymmetry)।

मौजूदा मैक्रोस्कोपिक मॉडल अक्सर उन सूक्ष्म विवरणों को समझने में सक्षम नहीं होते जो इन कारकों को अलग कर सकें, जिसके लिए भविष्य के प्रयोगों (जैसे अपग्रेड किए गए HIRFL-CAFE2) के मार्गदर्शन हेतु एक पूर्णतः सूक्ष्म (microscopic) दृष्टिकोण की आवश्यकता है।

2. कार्यप्रणाली (Methodology)

लेखकों ने टाइम-डिपेंडेंट हार्ट्री-फॉक (TDHF) सिद्धांत का उपयोग किया है, जो एक पूर्णतः सूक्ष्म, स्व-सुसंगत ढांचा है जो बिना किसी अनुभवजन्य प्रतिक्रिया मापदंडों (empirical reaction parameters) के नाभिकीय बहु-निकाय तरंग फलन (many-body wave function) को विकसित करता है।

ऊर्जा घनत्व फलन (Energy Density Functional): गणनाओं के लिए Skyrme SLy5 पैरामीट्राइजेशन का उपयोग किया गया। महत्वपूर्ण रूप से, लेखकों ने Sky3D कोड के एक संशोधित संस्करण को लागू किया ताकि स्क्वेयर्ड स्पिन-करेंट टेंसर डेंसिटी ( $J^2$ terms) को स्पष्ट रूप से शामिल किया जा सके, जो कि SLy5 फंक्शनल के साथ निरंतरता सुनिश्चित करता है क्योंकि इसे अक्सर मानक कार्यान्वयन में छोड़ दिया जाता है।
सिस्टम सेटअप:
- नाभिक (Nuclei): विरूपित प्रोजेक्टाइल $^{54}\text{Cr}$ ( $\beta_{20} \approx 0.218$ ) और लक्ष्य $^{243}\text{Am}$ (जटिल विरूपण जिसमें ऑक्टुपोल $\beta_{30}$ और हेक्साडेकापोल $\beta_{40}$ घटक शामिल हैं, जिसके परिणामस्वरूप नाशपाती जैसा आकार प्राप्त होता है)।
- प्रारंभिक विन्यास (Initial Configurations): व्यवस्थित सिमुलेशन ने एक विस्तृत श्रृंखला के प्रारंभिक ओरिएंटेशन को कवर किया:
  - प्रोजेक्टाइल: टिप ( $\theta_P = 0^\circ$ ) और साइड ( $\theta_P = 90^\circ$ )।
  - लक्ष्य: नौ ओरिएंटेशन ( $0^\circ$ से $180^\circ$ तक $30^\circ$ के अंतराल पर) ताकि लक्ष्य की रिफ्लेक्शन सिमेट्री ब्रेकिंग को ध्यान में रखा जा सके।
- ऊर्जा रेंज: सिमुलेशन केंद्र-द्रव्यमान ऊर्जा ( $E_{c.m.}$ ) के एक विस्तृत दायरे ($200 $–$ 350$ MeV) में किए गए, जो कूलम्ब बैरियर के नीचे से लेकर काफी ऊपर तक फैला हुआ है।
गतिकी (Dynamics): विकास को टुकड़ों के अलग होने ( $>26$ fm) तक ट्रैक किया गया। प्रमुख अवलोकनीय (observables) में फ्रैगमेंट मास/चार्ज वितरण, स्कैटरिंग कोण और कॉन्टैक्ट टाइम (नेक डेंसिटी $> 0.03 \text{ fm}^{-3}$ द्वारा परिभाषित) शामिल थे।

3. मुख्य योगदान (Key Contributions)

ओरिएंटेशन निर्भरता का सूक्ष्म तंत्र: यह अध्ययन इस बात का पहला व्यापक सूक्ष्म मानचित्रण प्रदान करता है कि कैसे प्रोजेक्टाइल ओरिएंटेशन $^{54}\text{Cr} + ^{243}\text{Am}$ प्रणाली में QF पथ को निर्धारित करता है।
शेल प्रभाव गतिकी (Shell Effect Dynamics): यह घटना की ऊर्जा (incident energy) के फलन के रूप में विभिन्न शेल-संचालित व्यवस्थाओं (ऑक्टुपोल-विकृत बनाम गोलाकार) के बीच संक्रमण को स्पष्ट करता है।
कॉन्टैक्ट टाइम विसंगति (Contact Time Anomaly): पेपर मैजिक नंबर्स के पास न्यूक्लियॉन ट्रांसफर और इंटरेक्शन टाइम के बीच एक विरोधाभासी संबंध की पहचान करता है, जिसका श्रेय शेल-स्थिरित टुकड़ों की "कठोरता" (stiffness) को देता है।
ऊर्जा अनुकूलन रणनीति (Energy Optimization Strategy): यह उन "इष्टतम" आपतित ऊर्जाओं (optimal incident energies) की पहचान करने की एक विधि प्रस्तावित करता है जहाँ फ्यूजन को दबाने वाले शेल प्रभावों को न्यूनतम किया जा सकता है।

4. मुख्य परिणाम (Key Results)

A. ओरिएंटेशन निर्भरता (निश्चित ऊर्जा $E_{c.m.} = 251.9$ MeV पर)

साइड कोलिजन ( $\theta_P = 90^\circ$ ): ये कुल QF यील्ड (yield) पर हावी होते हैं। फ्रैगमेंट वितरण शेल प्रभावों द्वारा दृढ़ता से संचालित होते हैं:
- भारी टुकड़े गोलाकार शेल क्लोजर $Z=82$ के आसपास जमा होते हैं।
- हल्के टुकड़े $N=52\text{--}56$ क्षेत्र में विकृत शेल गैप द्वारा नियंत्रित होते हैं।
- कॉन्टैक्ट टाइम: जैसे-जैसे भारी टुकड़ा $Z=82$ के करीब पहुँचता है, औसत कॉन्टैक्ट टाइम घटता है या स्थिर (plateau) हो जाता है, जो शास्त्रीय डिफ्यूजन अपेक्षाओं (जो अधिक द्रव्यमान हस्तांतरण के लिए लंबे समय की भविष्यवाणी करते हैं) के विपरीत है। इसका कारण शेल-स्थिरित टुकड़े की बढ़ी हुई कठोरता है, जो नेक रप्चर (neck rupture) को तेज करती है।
टिप कोलिजन ( $\theta_P = 0^\circ$ ): इनमें शेल प्रभाव काफी कमजोर दिखाई देते हैं। न्यूक्लियॉन ट्रांसफर कम होता है, और फ्रैगमेंट यील्ड शेल क्लोजर और क्वाज़िएलास्टिक पीक्स के बीच के मध्यवर्ती क्षेत्र में बिखरी हुई होती है।

B. ऊर्जा निर्भरता (Tip-Tip विन्यास में)

अध्ययन बढ़ती ऊर्जा के साथ QF गतिकी के एक जटिल, गैर-मोनोटोनिक विकास को प्रकट करता है:

कम ऊर्जा ( $< 218$ MeV): क्वाज़िएलास्टिक स्कैटरिंग द्वारा संचालित।
नियर-बैरियर ( $218\text{--}226$ MeV): न्यूक्लियॉन ट्रांसफर में तीव्र वृद्धि।
इंटरमीडिएट एनर्जी ( $226\text{--}240$ MeV): एक रिवर्सल (reversal) होता है जहाँ न्यूक्लियॉन ट्रांसफर कम हो जाता है।
ऑक्टुपोल-स्थिरित व्यवस्था ( $240\text{--}280$ MeV): सिस्टम $Z \approx 88$ और $N \approx 136$ (जो $^{224}\text{Ra}$ के अनुरूप है) के आसपास स्थिर होता है, जो ऑक्टुपोल शेल गैप्स की प्रधानता को दर्शाता है।
उच्च ऊर्जा ( $> 280$ MeV): सिस्टम एक गोलाकार शेल-संचालित व्यवस्था में परिवर्तित हो जाता है। भारी टुकड़े $Z=82$ की ओर और हल्के टुकड़े $Z=36, N=52$ की ओर स्थानांतरित हो जाते हैं। यह सुझाव देता है कि उच्च उत्तेजना ऊर्जाओं पर थर्मल डैम्पिंग (thermal damping) ऑक्टुपोल प्रभावों को दबा देती है, जिससे अधिक मजबूत गोलाकार शेल क्लोजर गतिकी को नियंत्रित करने देते हैं।

C. दमित शेल प्रभाव (Suppressed Shell Influence)

एक महत्वपूर्ण निष्कर्ष विशिष्ट ऊर्जा विंडो (जैसे, टिप-टिप कोलिजन के लिए $E_{c.m.} \approx 226$ MeV के आसपास) का अस्तित्व है जहाँ शेल प्रभावों का स्टीयरिंग प्रभाव (steering influence) दबा हुआ प्रतीत होता है। इन विंडो में, QF और फ्यूजन के बीच की प्रतिस्पर्धा फ्यूजन के लिए अधिक अनुकूल हो सकती है।

5. महत्व और निष्कर्ष (Significance and Conclusion)

यह कार्य प्रदर्शित करता है कि QF में शेल प्रभावों की अभिव्यक्ति स्थिर नहीं है, बल्कि एक गतिक परिणाम (dynamical outcome) है जो प्रारंभिक ज्यामिति और आपतित ऊर्जा दोनों के प्रति संवेदनशील है।

प्रयोगात्मक मार्गदर्शन: परिणाम बताते हैं कि तत्व 119 के संश्लेषण को आपतित ऊर्जा को सावधानीपूर्वक चुनकर अनुकूलित किया जा सकता है ताकि उन विंडोज़ से बचा जा सके जहाँ मजबूत शेल प्रभाव (जैसे $Z \approx 88$ पर ऑक्टुपोल स्थिरीकरण) सिस्टम को तेजी से QF की ओर ले जाते हैं।
रणनीतिक अंतर्दृष्टि: उन ऊर्जा विंडो में काम करके जहाँ शेल प्रभाव कम होता है, प्रयो diharapkanें QF अवरोध (barrier) को कम कर सकती हैं, जिससे फ्यूजन की संभावना बढ़ सकती है और नए सुपरहैवी तत्वों की खोज की संभावनाएं बेहतर हो सकती हैं।
सैद्धांतिक प्रगति: यह अध्ययन भारी-आयन प्रतिक्रियाओं में विरूपण (deformation), ओरिएंटेशन और क्वांटम शेल प्रभावों के जटिल अंतर्संबंधों को सुलझाने के लिए एक भविष्य कहनेवाला उपकरण (predictive tool) के रूप में TDHF को मान्य करता है, जो भविष्य के सूक्ष्म अन्वेषणों के लिए एक रोडमैप प्रदान करता है।