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Microscopic Investigation of Fusion and Quasifission Dynamics

यह शोध पत्र सुपरहेवी तत्व उत्पादन के लिए प्रासंगिक भारी-आयन अभिक्रियाओं में संलयन (फ्यूजन) और क्वासीफिशन (quasifission) गतिकी की जांच करने के लिए टाइम-डिपेंडेंट हार्ट्री-फॉक सिद्धांत को लागू करता है, जो $^{48}$ Ca+ $^{238}$ U संलयन के लिए प्रयोगात्मक डेटा के साथ उचित सहमति प्रदर्शित करता है और $^{48}$ Ca+ $^{249}$ Bk क्वासीफिशन में शेल प्रभावों पर टेंसर बलों के महत्वपूर्ण प्रभाव को प्रकट करता है।

मूल लेखक: Liang Li, Xiang-Xiang Sun, Lu Guo

प्रकाशित 2026-03-11

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Liang Li, Xiang-Xiang Sun, 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

कल्पना कीजिए कि आप दो छोटे रेत के किलों को आपस में टकराकर एक विशाल, अस्थिर रेत का किला (एक सुपरहेवी एलिमेंट) बनाने की कोशिश कर रहे हैं। आप चाहते हैं कि वे आपस में मिलकर एक बड़ा, एकदम सटीक ढांचा बन जाएं। लेकिन एक समस्या है: रेत में स्टेटिक इलेक्ट्रिसिटी (स्थिर विद्युत) इतनी अधिक है कि दोनों किले अक्सर एक-दूसरे को धकेल देते हैं, या वे आपस में टकराते हैं और एक बड़े ढांचे में बदलने के बजाय तुरंत दो छोटे ढेरों में बिखर जाते हैं।

यह परमाणु भौतिकविदों (nuclear physicists) का दैनिक संघर्ष है जो आवर्त सारणी (periodic table) के सबसे भारी तत्वों को बनाने की कोशिश कर रहे हैं। लियांग ली और उनके सहयोगियों द्वारा लिखा गया यह शोध पत्र एक हाई-टेक सिमुलेशन रिपोर्ट की तरह है कि कैसे उस रेत के किले को सफलतापूर्वक जोड़ने का तरीका निकाला जाए। उन्होंने इन परमाणु टकरावों को स्लो मोशन में देखने और इन विशाल परमाणुओं को बनाने का सबसे अच्छा तरीका पता लगाने के लिए टाइम-डिपेंडेंट हार्ट्री-फॉक (TDHF) नामक एक सुपर-कंप्यूटर विधि का उपयोग किया।

यहाँ उनके कार्य का सरल उपमाओं (analogies) के साथ विवरण दिया गया है:

1. टकराव गलत होने के दो तरीके

जब दो भारी परमाणु नाभिक (atomic nuclei) आपस में टकराते हैं, तो मुख्य रूप से दो परिणाम होते हैं:

फ्यूजन (सफलता): दोनों नाभिक आपस में टकराते हैं, अपने "सामग्री" (ingredients) को पूरी तरह से मिला लेते हैं, और एक नया, बड़ा, स्थिर (कुछ समय के लिए) संयुक्त नाभिक बनाते हैं। यही हमारा लक्ष्य है।
क्वासीफिशन (विफलता): नाभिक टकराते हैं, एक पल के लिए स्पर्श करते हैं, थोड़ी सी रेत का आदान-प्रदान करते हैं, लेकिन फिर तुरंत दो अलग टुकड़ों में बिखर जाते हैं। वे वास्तव में कभी जुड़े नहीं। यह सुपरहेवी तत्वों को बनाने के रास्ते का सबसे बड़ा दुश्मन है।

लेखकों ने यह समझने के लिए कि "फ्यूजन" का खेल कैसे जीता जाए, दो विशिष्ट परिदृश्यों का अध्ययन किया।

2. परिदृश्य A: एक आदर्श विलय (48Ca + 238U)

सेटअप: उन्होंने एक कैल्शियम-48 परमाणु (प्रोजेक्टाइल) को यूरेनियम-238 परमाणु (टारगेट) से टकराने का अनुकरण (simulate) किया।
समस्या: यूरेनियम परमाणु एक आदर्श गोले के आकार का नहीं है; इसका आकार एक रग्बी बॉल (फुटबॉल) जैसा है। यदि आप इसे किनारे से मारते हैं, तो जुड़ना कठिन होता है। यदि आप इसे सिरे (tip) पर मारते हैं, तो यह आसान होता है।
समाधान:

"सिरे" का लाभ: सिमुलेशन ने दिखाया कि रग्बी-बॉल के आकार वाले यूरेनियम के "सिरे" पर प्रहार करना एक हल्की ढलान पर गेंद लुढ़काने जैसा है—यह सीधे अंदर फिसल जाती है। किनारे पर प्रहार करना एक खड़ी पहाड़ी पर गेंद को ऊपर धकेलने जैसा है; यह बहुत कठिन है।
तीन-चरणीय रेसिपी: लेखों ने इस प्रक्रिया को केक बनाने की रेसिपी की तरह तीन चरणों में विभाजित किया:
1. कैप्चर (Capture): दोनों परमाणुओं को छूने के लिए पर्याप्त करीब लाना।
2. फ्यूजन (Fusion): वास्तव में उन्हें एक में मिलाना।
3. सर्वाइवल (Survival): यह सुनिश्चित करना कि नया विशाल परमाणु तुरंत फट न जाए (फिशन)।
परिणाम: पहले दो चरणों के लिए "सामग्री" की गणना करने के लिए उन्होंने अपने सूक्ष्म सिमुलेशन का उपयोग किया, और तीसरे चरण के लिए एक सांख्यिकीय मॉडल का, और उन्होंने भविष्यवाणी की कि कितने नए परमाणु बनेंगे। उनकी भविष्यवाणियां वास्तविक दुनिया के प्रयोगों से पूरी तरह मेल खाती हैं। यह ऐसा है जैसे आपने एक वर्चुअल मौसम मॉडल बनाया हो जिसने बारिश की सटीक भविष्यवाणी की हो, जिससे साबित होता है कि उनका मॉडल काम करता है।

3. परिदृश्य B: "जादुई" बल (48Ca + 249Bk)

सेटअप: उन्होंने एक अलग टकराव देखा: कैल्शियम-48 का बेरिलियम-249 से टकराना। यह एक बहुत ही कठिन प्रतिक्रिया है जहाँ "क्वासीफिशन" (तत्काल टूटना) मुख्य समस्या है।
गुप्त सामग्री (टेन्सर फोर्स):

परमाणु भौतिकी में, अलग-अलग "नियम" (बल) होते हैं जो कणों को बताते हैं कि उन्हें कैसे व्यवहार करना है। इनमें से एक नियम है टेन्सर फोर्स (Tensor Force)। इस बल को एक विशेष प्रकार के "चुंबकीय गोंद" के रूप में सोचें जो केवल तभी काम करता है जब कण एक विशिष्ट, सममित पैटर्न में व्यवस्थित होते हैं।
प्रयोग: टीम ने सिमुलेशन को दो बार चलाया: एक बार इस विशेष गोंद (टेन्सर फोर्स) के साथ और एक बार इसके बिना।
खोज:
- गोंद के बिना: टुकड़े (जो अलग हो जाते हैं) बेतरतीब ढंग से बिखरे हुए थे।
- गोंद के साथ: टुकड़े अचानक पूरी तरह से एक कतार में आने लगे। वे प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की विशिष्ट संख्या (विशेष रूप से 82 प्रोटॉन और 126 न्यूट्रॉन) के आसपास क्लस्टर बनाने लगे।
उपमा: कल्पना कीजिए कि आप हवा में बहुत सारे मिश्रित लेगो ब्रिक्स (Lego bricks) फेंक रहे हैं। बिना गोंद के, वे एक अस्त-व्यस्त ढेर में गिरते हैं। गोंद के साथ, लाल ईंटें जादुई रूप से एक साथ जुड़कर एक परफेक्ट लाल टावर बनाती हैं, और नीली ईंटें एक नीला टावर बनाती हैं।
यह क्यों महत्वपूर्ण है: भौतिकी में 82 और 126 संख्याएँ "मैजिक नंबर्स" (जादुई संख्याएँ) हैं। वे पूर्ण स्थिरता की स्थिति का प्रतिनिधित्व करती हैं, जैसे एक भरा हुआ शेल (shell)। सिमुलेशन ने दिखाया कि टेन्सर फोर्स एक मार्गदर्शक की तरह कार्य करता है, टकराव को इस तरह निर्देशित करता है कि परिणामी टुकड़े इस "पूर्ण स्थिरता" (जैसे लेड-208) के जितना संभव हो सके करीब पहुँच सकें। यह वैज्ञानिकों को यह समझने में मदद करता है कि "क्वासीफिशन" के जाल से बचने के लिए इन टकरावों को कैसे निर्देशित किया जाए।

बड़ी तस्वीर (The Big Picture)

यह शोध पत्र अनिवार्य रूप से सुपरहेवी तत्वों के निर्माण के लिए एक यूजर मैनुअल है।

यह सिद्ध करता है कि यदि आप परमाणुओं के आकार (जैसे रग्बी बॉल) को ध्यान में रखते हैं, तो आप बिल्कुल सटीक भविष्यवाणी कर सकते हैं कि उनके जुड़ने की कितनी संभावना है।
यह प्रकट करता है कि एक विशिष्ट, सूक्ष्म बल (टेन्सर फोर्स) एक ट्रैफिक पुलिसकर्मी की तरह कार्य करता है, जो टूटे हुए टुकड़ों को स्थिर, "जादुई" कॉन्फ़िगरेशन की ओर निर्देशित करता है।

इन सूक्ष्म विवरणों को समझकर, वैज्ञानिक अंततः तत्वों 119 और 120 को बनाने के प्रयोगों को बेहतर ढंग से डिजाइन कर सकते हैं, जो अब तक पहुंच से बाहर रहे हैं क्योंकि परमाणु स्थिर होने से पहले ही टूट जाते हैं। लेखकों ने परमाणु टकरावों की अराजक दुनिया में नेविगेट करने के लिए एक मानचित्र प्रदान किया है।

यहाँ लियांग ली, जियांग-जियांग सन और लू गुओ के शोध पत्र "Microscopic Investigation of Fusion and Quasifission Dynamics" का विस्तृत तकनीकी सारांश दिया गया है।

1. समस्या विवरण (Problem Statement)

सुपरहैवी तत्वों (SHEs) का संश्लेषण, विशेष रूप से वे जिनका परमाणु क्रमांक $Z \ge 119$ है, वर्तमान में पूर्ण संलयन (complete fusion) के ऊपर क्वासिफिशन (quasifission - QF) के प्रभुत्व के कारण बाधित है।

चुनौती: एक्टिनाइड लक्ष्यों (actinide targets) वाले भारी-आयन टकरावों में, अत्यधिक कूलम्ब प्रतिकर्षण अक्सर टकराने वाले नाभिकों को एक पूर्ण साम्यावस्था वाले यौगिक नाभिक (compound nucleus - CN) बनाने से पहले ही दो टुकड़ों में अलग कर देता है। यह QF प्रक्रिया संलयन के साथ प्रतिस्पर्धा करती है, जिससे CN बनने की संभावना ( $P_{CN}$ ) काफी कम हो जाती है।
अंतराल (Gap): जबकि मैक्रोस्कोपिक मॉडल पैरामीटर फिटिंग के माध्यम से ज्ञात क्रॉस-सेक्शन को पुनरुत्पादित कर सकते हैं, उनमें अपरिभाषित प्रणालियों के लिए भविष्यवाण करने की शक्ति का अभाव है क्योंकि उनका उपचार डायनेमिक्स के प्रति सीमित है और वे समायोज्य मापदंडों (adjustable parameters) पर निर्भर हैं। SHE संश्लेषण क्रॉस-सेक्शनों की विश्वसनीय भविष्यवाणी करने के लिए संलयन-QF प्रतिस्पर्धा की एक सूक्ष्म (microscopic), मात्रात्मक समझ की महत्वपूर्ण आवश्यकता है।

2. कार्यप्रणाली (Methodology)

लेखक एक हाइब्रिड सैद्धांतिक ढांचे का उपयोग करते हैं जो सूक्ष्म 'टाइम-डिपेंडेंट हार्ट्री-फॉक' (TDHF) सिद्धांत को मैक्रोस्कोपिक/सांख्यिकीय मॉडलों के साथ जोड़ता है ताकि तीन-चरणीय संलयन-वाष्पीकरण प्रक्रिया का अनुकरण किया जा सके:

कैप्चर (Capture): लक्ष्य द्वारा प्रक्षेपवक्र (projectile) का कैप्चर।
संलयन (Fusion): एक यौगिक नाभिक का निर्माण।
उत्तरजीविता (Survival): विखंडन (fission) के विरुद्ध न्यूट्रॉन उत्सर्जन के माध्यम से CN का डी-एक्साइटमेंट।

प्रमुख तकनीकी घटक:

TDHF सिद्धांत: एक-बॉडी डेंसिटी के गतिशील विकास के अनुकरण के लिए उपयोग किया जाता है। यह सामूहिक गति (collective motion) और शेल प्रभावों (shell effects) को पकड़ता है लेकिन क्वांटम टनलिंग को छोड़ देता है।
डेंसिटी कॉन्स्ट्रेंड फ्रोजन HF (DC-FHF): लक्ष्य के ओरिएंटेशन ( $\theta$ ) के फलन के रूप में अंतर-नाभिकीय विभव ( $V(R)$ ) प्राप्त करने के लिए उपयोग किया जाता है। यह विकृत (deformed) एक्टिनाइड लक्ष्यों (जैसे $^{238}\text{U}$ , $^{249}\text{Bk}$ ) के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है।
कपल्ड-चैनल्स (CC) गणना: TDHF-व्युत्पन्न विभवों का उपयोग CCFULL कोड में इनपुट के रूप में किया जाता है ताकि कैप्चर क्रॉस-सेक्शन ( $\sigma_{cap}$ ) और पेनेट्रेशन प्रोबेबिलिटी ( $T_J$ ) की गणना की जा सके।
फ्यूजन-बाय-डिफ्यूजन (FbD) मॉडल: संलयन संभावना ( $P_{CN}$ ) की गणना के लिए उपयोग किया जाता है। "इंजेक्शन पॉइंट" (वह दूरी जहाँ सिस्टम डिफ्यूजन क्षेत्र में प्रवेश करता है) को सीधे TDHF सिमुलेशन से निकाला जाता है, जिससे अनुभवजन्य धारणाओं (empirical assumptions) से बचा जा सके।
सांख्यिकीय मॉडल (Statistical Model): न्यूट्रॉन वाष्पीकरण और विखंडन के बीच प्रतिस्पर्धा को ध्यान में रखते हुए, CN की उत्तरजीविता संभावना ( $W_{sur}$ ) की गणना के लिए उपयोग किया जाता है।
स्काईर्म इंटरैक्शंस (Skyrme Interactions): QF अध्ययनों के लिए, लेखक दो स्काईर्म ऊर्जा घनत्व फलनल्स की तुलना करते हैं: SLy5 (मानक) और SLy5t (जिसमें टेंसर बल/tensor force शामिल है)।

3. प्रमुख योगदान (Key Contributions)

एकीकृत ढांचा (Unified Framework): यह पत्र $^{48}\text{Ca} + ^{238}\text{U}$ के संपूर्ण 'हॉट-फ्यूजन रिएक्शन चेन' का वर्णन करने के लिए सूक्ष्म TDHF इनपुट को CC, FbD और सांख्यिकीय मॉडलों के साथ एकीकृत करने वाले एक मजबूत वर्कफ़्लो को प्रदर्शित करता है।
संलयन संभावना के लिए सूक्ष्म इनपुट: फ्यूजन बैरियर या इंजेक्शन पॉइंट के लिए फेनोमेनोलॉजिकल मापदंडों का उपयोग करने के बजाय, लेखक इन्हें सीधे TDHF सिमुलेशन से निकालते हैं, जिससे FbD मॉडल की भविष्यवाणात्मक विश्वसनीयता बढ़ जाती है।
टेंसर बल का परिमाणीकरण: यह अध्ययन नाभिकीय अंतःक्रिया में टेंसर बल के प्रभाव को विशेष रूप से फ्रैगमेंट मास-एंगल वितरण के संबंध में व्यवस्थित रूप से अलग करता है।

4. परिणाम (Results)

A. संलयन डायनेमिक्स: $^{48}\text{Ca} + ^{238}\text{U}$

कैप्चर क्रॉस-सेक्शन: DC-FHF विभव और CC सिद्धांत का उपयोग करके गणना किए गए ओरिएंटेशन-औसत कैप्चर क्रॉस-सेक्शन प्रायोगिक डेटा के साथ उत्कृष्ट सहमति दिखाते हैं। यह मॉडल विशेष रूप से सब-बैरियर ऊर्जाओं ( $E_{c.m.} < 190$ MeV) पर अनुभवजन्य कपल्ड-चैनल्स (ECC) भविष्यवाणियों से काफी बेहतर प्रदर्शन करता है।
ओरिएंटेशन निर्भरता: परिणाम प्रोलैट-विकृत (prolate-deformed) $^{238}\text{U}$ लक्ष्य के ओरिएंटेशन पर एक मजबूत निर्भरता की पुष्टि करते हैं। "टिप" टकराव ( $\theta \approx 9.3^\circ$ ) में "साइड" टकराव ( $\theta \approx 83.8^\circ$ ) की तुलना में काफी कम कैप्चर बैरियर और उच्च क्रॉस-सेक्शन होते हैं।
संलयन संभावनाएँ: गणना की गई प्रभावी संलयन संभावना ( $P_{fus} = \sigma_{fus}/\sigma_{cap}$ ) का मान $(2-6) \times 10^{-4}$ के बीच रहता है।
इवैपोरेशन रेजिड्यू (Evaporation Residues): गणना किए गए संलयन क्रॉस-सेक्शन को सांख्यिकीय उत्तरजीविता संभावनाओं के साथ जोड़कर, $3n$ और $4n$ चैनलों के लिए अनुमानित इवैपोरेशन-रेसिड्यू क्रॉस-सेक्शन उपलब्ध प्रायोगिक डेटा के साथ अच्छी तरह मेल खाते हैं।

B. क्वासिफिशन डायनेमिक्स: $^{48}\text{Ca} + ^{249}\text{Bk}$

फ्रैगमेंट वितरण: अध्ययन मास-एंगल डिस्ट्रीब्यूशन (MADs) और फ्रैगमेंट यील्ड का विश्लेषण करता है।
टेंसर बल का प्रभाव:
- न्यूट्रॉन शेल प्रभाव: SLy5t (टेंसर बल के साथ) का उपयोग करने वाले सिमुलेशन $N=126$ के जादुई न्यूट्रॉन शेल के आसपास QF फ्रैगमेंट का स्पष्ट क्लस्टरिंग दिखाते हैं। इसके विपरीत, SLy5 (बिना टेंसर बल के) कम न्यूट्रॉन संख्या ( $N \approx 122$ ) पर पीक दिखाता है, जो कमजोर शेल प्रभाव का संकेत देता है।
- प्रोटॉन शेल प्रभाव: इसी प्रकार, टेंसर बल फ्रैगमेंट को $Z=82$ जादुई प्रोटॉन शेल के करीब ले जाता है। SLy5t की पीक $Z=82$ के पास है, जबकि SLy5 की पीक $Z=79$ के पास है।
निष्कर्ष (QF पर): टेंसर बल को शामिल करने से गोलाकार शेल प्रभावों (spherical shell effects) में उल्लेखनीय वृद्धि होती है, जो QF डायनेमिक्स को द्वि-जादुई (doubly-magic) $^{208}\text{Pb}$ ( $Z=82, N=126$ ) के पास के फ्रैगमेंट के उत्पादन की ओर ले जाती है।

5. महत्व (Significance)

SHE संश्लेषण के लिए भविष्यवाणात्मक शक्ति: प्रमाणित हाइब्रिड ढांचा अभी तक संश्लेषित न किए गए तत्वों (जैसे $Z=119, 120$ ) के लिए क्रॉस-सेक्शन की भविष्यवाणी करने के लिए एक विश्वसनीय उपकरण प्रदान करता है, जहाँ प्रायोगिक डेटा वर्तमान में उपलब्ध नहीं है।
टेंसर बल की भूमिका: यह कार्य इस बात का पुख्ता सूक्ष्म प्रमाण प्रदान करता है कि टेंसर बल नाभिकीय अंतःक्रियाओं में एक महत्वपूर्ण घटक है, जो विशेष रूप से हेवी-आयन टकरावों में शेल क्लोजर की भूमिका को बढ़ाता है। यह सुझाव देता है कि QF बैरियर और फ्रैगमेंट यील्ड को सही ढंग से अनुमानित करने के लिए SHE संश्लेषण के सटीक सैद्धांतिक मॉडलों में टेंसर इंटरैक्शन को शामिल करना आवश्यक है।
मैकेनिस्टिक अंतर्दृष्टि (Mechanistic Insight): यह अध्ययन स्पष्ट करता है कि कैसे एंट्रेंस चैनल गुण (ओरिएंटेशन, विरूपण) और सूक्ष्म बल (टेंसर) संलयन और क्वासिफिशन के बीच प्रतिस्पर्धा को निर्धारित करते हैं, जो भविष्य के प्रयोगों में रिएक्शन पाथवे को अनुकूलित करने के लिए मार्गदर्शन प्रदान करता है।