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Multiple shape coexistence near Sn118: First 03+ lifetime measurement

यह शोध पत्र थर्मल-न्यूट्रॉन कैप्चर का उपयोग करके $^{118}$ Sn में $0^+_3$ अवस्था के जीवनकाल का पहला मापन प्रस्तुत करता है, जहाँ प्रेक्षित संवर्धित $E0$ संक्रमण शक्ति बहु-आकार सह-अस्तित्व (multiple shape coexistence) के लिए सम्मोहक साक्ष्य प्रदान करती है, जो कि उन सैद्धांतिक गणनाओं द्वारा पुष्ट एक निष्कर्ष है जो Sn समस्थानिकों में तीन विशिष्ट नाभिकीय आकारों की भविष्यवाणी करते हैं।

मूल लेखक: F. Wu, C. R. Ding, C. Andreoiu, V. Karayonchev, Y. Li, C. Michelagnoli, C. M. Petrache, J. -M. Régis, J. M. Yao, M. Beuschlein, G. Colombi, J. M. Daugas, L. Domenichetti, A. Esmaylzadeh, P. E. Garrett

प्रकाशित 2026-05-13

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CC BY 4.0

मूल लेखक: F. Wu, C. R. Ding, C. Andreoiu, V. Karayonchev, Y. Li, C. Michelagnoli, C. M. Petrache, J. -M. Régis, J. M. Yao, M. Beuschlein, G. Colombi, J. M. Daugas, L. Domenichetti, A. Esmaylzadeh, P. E. Garrett, J. Jolie, M. Ley, S. Pannu, P. Spagnoletti, E. Taddei

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 एक परमाणु का नाभिक (nucleus) एक छोटा, हलचल भरा डांस फ्लोर है। आमतौर पर, टिन (Sn) जैसे कुछ "सेमी-मैजिक" परमाणुओं में, नर्तक (प्रोटॉन और न्यूट्रॉन) एक आदर्श, गोल घेरे में स्थिर खड़े रहना पसंद करते हैं। यह उनका आरामदायक, गोलाकार आकार है।

हालाँकि, यह नया शोध बताता है कि द्रव्यमान 118 के आसपास के टिन आइसोटोप में, डांस फ्लोर वास्तव में एक जंगली पार्टी की मेजबानी कर रहा है जहाँ तीन अलग-अलग डांस स्टाइल एक ही समय में हो रहे हैं। इस घटना को "मल्टीपल शेप कोएक्सिस्टेंस" (multiple shape coexistence) कहा जाता है।

यहाँ वैज्ञानिकों द्वारा की गई खोज का एक सरल विवरण दिया गया है:

1. "इंट्रूडर" नर्तकों का रहस्य

लंबे समय से, भौतिकविदों को पता था कि टिन परमाणु कभी-कभी अपने गोल आकार से बदलकर एक खींचे हुए, फुटबॉल जैसे आकार (जिसे "प्रोलेट" कहा जाता है) में बदल सकते हैं। उन्हें लगा कि यह केवल दो शैलियों के बीच एक साधारण बदलाव था: गोल बनाम फुटबॉल।

लेकिन पहेली का एक हिस्सा गायब था। टिन-118 परमाणु में, एक विशिष्ट उत्तेजित अवस्था (एक उच्च-ऊर्जा वाला डांस मूव) है जिसे $0^+_3$ स्टेट कहा जाता है। वैज्ञानिक जानते थे कि यह मौजूद है, लेकिन वे यह नहीं जानते थे कि बदलने से पहले यह कितने समय तक रहता है। इसकी "लाइफटाइम" (जीवनकाल) जाने बिना, वे यह नहीं बता सकते थे कि यह एक अलग तीसरा डांस स्टाइल है या अन्य दो का एक अस्त-व्यस्त मिश्रण।

2. स्टॉपवॉच प्रयोग

इस पहेली को सुलझाने के लिए, टीम फ्रांस के एक अनुसंधान रिएक्टर (इंस्टीट्यूट लाउ-लेंज्विन) में गई। उन्होंने उच्च-गति वाले फोटोग्राफर की तरह काम किया।

सेटअप: उन्होंने टिन-117 के लक्ष्य पर धीमे चलते न्यूट्रॉन की बमबारी की। जब एक न्यूट्रॉन पकड़ा गया, तो उसने परमाणु को एक सुपर-एक्साइटेड अवस्था में टिन-118 में बदल दिया।
दौड़: जैसे ही परमाणु शांत हुआ, उसने गामा किरणें (प्रकाश की चमक) उत्सर्जित कीं। वैज्ञानिकों ने विशेष डिटेक्टरों (LaBr3 क्रिस्टल) का उपयोग किया जो अविश्वसनीय रूप से तेज़ स्टॉपवॉच की तरह काम करते हैं।
मापन: उन्होंने ठीक से समय निकाला कि रहस्यमय $0^+_3$ अवस्था क्षय (decay) होने से पहले कितनी देर तक अस्तित्व में रही। उन्होंने पाया कि यह लगभग 74 पिकोसेकंड (यानी 0.000000000074 सेकंड) तक रही।

3. "शेप-शिफ्टर" का प्रमाण

लाइफटाइम जानने से उन्हें यह गणना करने में मदद मिली कि इसके ट्रांजिशन (बदलाव) के दौरान परमाणु के आकार में कितना परिवर्तन हुआ।

उपमा: कल्पना कीजिए कि दो नर्तक हैं। यदि वे बहुत समान हैं, तो वे बिना किसी विशेष प्रयास के आसानी से एक-दूसरे की जगह ले सकते हैं। यदि वे बहुत अलग हैं (एक बैलेरीना है, दूसरा ब्रेकडांसर), तो उनके बीच स्विच करना एक बहुत बड़ा, नाटकीय उछाल होगा।
परिणाम: वैज्ञानिकों ने दूसरी उत्तेजित अवस्था और तीसरी उत्तेजित अवस्था के बीच एक विशाल "जंप" (जिसे E0 ट्रांजिशन स्ट्रेंथ कहा जाता है) को मापा। इस विशाल उछाल ने साबित कर दिया कि ये दोनों अवस्थाएं मौलिक रूप से अलग आकार हैं।

4. तीन-तरफा सह-अस्तित्व (Three-Way Coexistence)

अपने नए स्टॉपवॉच डेटा को उन्नत कंप्यूटर सिमुलेशन (जो एक वर्चुअल फिजिक्स लैब की तरह कार्य करते हैं) के साथ जोड़कर, उन्होंने निष्कर्ष निकाला कि टिन-118 (और इसके पड़ोसी टिन-116 और टिन-120) केवल दो आकारों के बीच स्विच नहीं कर रहा है। यह एक साथ तीन अलग-अलग आकारों की मेजबानी कर रहा है:

गोलाकार गेंद (Spherical Ball): सामान्य, गोल ग्राउंड स्टेट।
प्रोलेट फुटबॉल (Prolate Football): एक खींचा हुआ आकार (जैसे रग्बी बॉल)।
ऑब्लेट पैनकेक (Oblate Pancake): एक चपटा आकार (जैसे पैनकेक या फ्रिसबी)।

पेपर सुझाव देता है कि "इंट्रूडर" अवस्थाएं (उत्तेजित अवस्थाएं) वास्तव में ये अलग-अलग आकार हैं जो प्रभुत्व के लिए लड़ रहे हैं। $0^+_2$ अवस्था मुख्य रूप से "फुटबॉल" है, जबकि अभी-अभी मापी गई $0^+_3$ अवस्था संभवतः "पैनकेक" है।

यह क्यों महत्वपूर्ण है

यह एक दुर्लभ खोज है। आमतौर पर, हम नाभिक में केवल दो आकारों को सह-अस्तित्व में देखते हैं। एक ही परमाणु में तीन आकारों को पाना ऐसा है जैसे एक ही कमरे में एक गोल मेज, एक लंबी डाइनिंग टेबल और एक सपाट कॉफी टेबल को एक ही स्थान पर मौजूद देखना।

शोधकर्ताओं ने इस बात की पुष्टि करने के लिए एक परिष्कृत कंप्यूटर मॉडल (जिसे जेनेरेटर कोऑर्डिनेट मेथड कहा जाता है) का उपयोग किया। मॉडल ने दिखाया कि ये तीन आकार स्वाभाविक रूप से प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के बीच होने वाली अंतःक्रियाओं से उभरते हैं, बिना गणित को फिट करने के लिए उसमें कोई बदलाव किए।

संक्षेप में: वैज्ञानिकों ने अंततः एक क्षणभंगुर परमाणु अवस्था के समय को मापा, और उस समय ने सिद्ध कर दिया कि टिन परमाणु केवल गोल या खिंचा हुआ ही नहीं है; बल्कि वे जटिल आकार बदलने वाले (shape-shifters) हैं जो एक ही समय में तीन अलग-अलग रूपों को धारण करने में सक्षम हैं।

तकनीकी सारांश: $^{118}$ Sn के समीप बहु-आकार सह-अस्तित्व (Multiple Shape Coexistence): प्रथम $0^+_3$ जीवनकाल मापन

समस्या विवरण
अर्ध-जादुई टिन (Sn) आइसोटोप ( $Z=50$ ) नाभिकीय संरचना अध्येशनों, विशेष रूप से आकार सह-अस्तित्व (shape coexistence) के लिए एक मानक प्रणाली हैं। न्यूट्रॉन मिड-शेल क्षेत्र ( $^{112-118}$ Sn) में, उत्तेजित $0^+$ अवस्थाओं की व्याख्या $Z=50$ शेल गैप के पार प्रोटॉन टू-पार्टिकल-टू-होल (2p-2h) उत्तेजनाओं के रूप में की जाती है, जो गोलाकार ग्राउंड स्टेट के विपरीत प्रोलैट (prolate) विरूपण वाले इंट्रूडर बैंड बनाती हैं। जबकि $0^+$ बैंड हेड्स के बीच संवर्धित इलेक्ट्रिक मोनोपोल (E0) संक्रमण आकार मिश्रण (shape mixing) के स्पेक्ट्रोस्कोपिक संकेत के रूप में कार्य करते हैं, $^{118}$ Sn में सह-अस्तित्व की पूर्ण समझ अपूर्ण जीवनकाल डेटा के कारण बाधित रही है। विशेष रूप से, $^{118}$ Sn में तीसरी उत्तेजित $0^+$ अवस्था ( $0^+_3$ ) का जीवनकाल पहले अज्ञात था, जिसमें केवल व्यापक सीमाएँ ( $60 \text{ ps} < \tau < 290 \text{ ps}$ ) उपलब्ध थीं। सटीक जीवनकाल जानकारी के अभाव ने $\rho^2(E0; 0^+_3 \to 0^+_2)$ के E0 संक्रमण सामर्थ्य की गणना को रोक दिया, जिससे $0^+_2$ और $0^+_3$ अवस्थाओं के बीच मिश्रण की प्रकृति और कई विशिष्ट आकारों के संभावित अस्तित्व को अनसुलझा छोड़ दिया गया।

कार्यप्रणाली
इस अंतराल को दूर करने के लिए, लेखकों ने थर्मल-न्यूट्रॉन कैप्चर के बाद फास्ट-टाइमिंग तकनीक का उपयोग करके $^{118}$ Sn में $0^+_3$ अवस्था का प्रत्यक्ष जीवनकाल मापन किया।

प्रयोग: प्रयोग को इंस्टीट्यूट लैव-लांघवेन (ILL) में FIPPS (फिशन प्रोडक्ट प्रॉम्प्ट गामा-रे स्पेक्ट्रोमीटर) का उपयोग करके आयोजित किया गया था। 89.2% $^{117}$ Sn से समृद्ध एक पाउडर लक्ष्य को थर्मल न्यूट्रॉन से विकिरणित किया गया।
डिटेक्शन: टाइमिंग मापन के लिए सेटअप में 15 $LaBr_3$ फास्ट-टाइमिंग डिटेक्टर (लगभग $45^\circ$ और $135^\circ$ पर स्थित) और ऊर्जा रिज़ॉल्यूशन के लिए 8 कॉम्पटन-सप्रेस्ड हाई-प्योरिटी जर्मेनियम (HPGe) क्लोवर डिटेक्टर ( $90^\circ$ पर) का उपयोग किया गया।
डेटा विश्लेषण: अवस्थाओं को $(n, \gamma)$ अभिक्रिया के माध्यम से पॉपुलेट किया गया। जीवनकाल को जनरलाइज्ड सेंट्रॉइड डिफरेंस (GCD) विधि का उपयोग करके निकाला गया। विश्लेषण ने कैप्चर स्टेट ( $S_n = 9326$ keV) से $0^+_3$ अवस्था और उसके बाद के क्षय (decay) तक के डेके कैस्केड को अलग करने के लिए ट्रिपल-गामा कोइन्सिडेंस ( $\gamma\gamma\gamma$ ) पर ध्यान केंद्रित किया। प्राथमिक $\gamma$ किरण (4765 keV) और विशिष्ट फीडर/डेके ट्रांजिशन (2504 keV और 827 keV) पर गेटिंग करके, लेखकों ने बैकग्राउंड को न्यूनतम किया। सेंट्रॉइड डिफरेंस ( $\Delta C$ ) को "डिलेड" और "एंटी-डिलेड" टाइम डिस्ट्रीब्यूशन के बीच मापा गया और प्रॉम्प्ट रिस्पॉन्स डिफरेंस (PRD) के लिए सुधारा गया ताकि जीवनकाल निकाला जा सके।
सैद्धांतिक मॉडलिंग: परिणामों की व्याख्या करने के लिए, लेखकों ने जनरेटर कोऑर्डिनेट मेथड (GCM) के साथ मल्टी-रेफरेंस कोवेरिएंट डेंसिटी फंक्शनल थ्योरी (MR-CDFT) का उपयोग किया। यह दृष्टिकोण बिना किसी मुक्त पैरामीटर को प्रायोगिक उत्तेजन ऊर्जाओं के अनुसार समायोजित किए, एक रिलेटिविस्टिक एनर्जी डेंसिटी फंक्शनल का उपयोग करता है। यह विभिन्न क्वाड्रोट (quadrupole) विरूपण ( $\beta_2$ ) वाले सिमेट्री-कंजर्विंग मीन-फील्ड स्टेट्स के सुपरपोजिशन के रूप में सामूहिक तरंग कार्यों (collective wave functions) का निर्माण करता है ताकि आकार मिश्रण और सह-अस्तित्व का वर्णन किया जा सके।

मुख्य परिणाम

जीवनकाल मापन: $^{118}$ Sn में $0^+_3$ अवस्था का जीवनकाल $\tau(0^+_3) = 74(13)$ ps निर्धारित किया गया। यह मान तीन अलग-अलग कैस्केड्स (प्राथमिक $\gamma$ किरणें 4765, 4407, और 4972 keV) के मापन के भारित औसत (weighted average) से प्राप्त किया गया था।
ट्रांजिशन स्ट्रेंथ: मापे गए जीवनकाल का उपयोग करते हुए, $B(E2; 0^+_3 \to 2^+_1)$ $B (E 2; 0_{3}^{+} \to 2_{1}^{+})$ की रिड्यूस्ड ट्रांजिशन प्रोबेबिलिटी $0.80(14)$ $0.80 (14)$ W.u. की गणना की गई। मौजूदा $X(E0/E2)$ $X (E 0/ E 2)$ डेटा के साथ मिलकर, E0 ट्रांजिशन सामर्थ्य निर्धारित किया गया:
- $\rho^2(E0; 0^+_3 \to 0^+_1) = 2.0(5) \times 10^{-3}$
- $\rho^2(E0; 0^+_3 \to 0^+_2) = 150(30) \times 10^{-3}$ (150(30) मिलीयूनिट्स)।
सैद्धांतिक सहमति: MR-CDFT गणनाओं ने $^{116,118,120}$ Sn के निम्न-स्तरीय ऊर्जा स्पेक्ट्रा और ट्रांजिशन सामर्थ्य को सफलतापूर्वक पुनरुत्पादित किया। गणनाओं से पता चला कि $0^+_1$ अवस्थाएं लगभग गोलाकार ( $\pi 1p-1h$ ) हैं, $0^+_2$ अवस्थाएं प्रोलैट आकारों ( $\pi 4p-4h$ इन $^{116,118}$ Sn) द्वारा प्रभावी हैं, और $0^+_3$ अवस्थाएं ओब्लेट (oblate) आकारों ( $\pi 2p-2h$ से $\pi 3p-3h$ में विकसित) के अनुरूप हैं। सैद्धांतिक परिणामों ने $0^+_2$ और $0^+_3$ अवस्थाओं के बीच एक बड़े आकार अंतर ( $\Delta \beta_2 > 0.24$ ) की पुष्टि की।

महत्व और दावे
इस कार्य का प्राथमिक महत्व अर्ध-जादुई $^{118}$ Sn नाभक में बहु-आकार सह-अस्तित्व (multiple shape coexistence) की पहली प्रयोगात्मक पुष्टि है।

तीन आकारों के लिए साक्ष्य: बड़े प्रेक्षित $\rho^2(E0; 0^+_3 \to 0^+_2)$ मान (150(30) मिलीयूनिट्स) के रूप में, काफी भिन्न आकारों की अवस्थाओं के बीच मजबूत मिश्रण के लिए ठोस प्रमाण मिलता है। ज्ञात गोलाकार ग्राउंड स्टेट और प्रोलैट इंट्रूडर बैंड के साथ मिलकर, लेखक तीन अलग-अलग आकारों के सह-अस्तित्व का प्रस्ताव करते हैं: गोलाकार (spherical), प्रोलैट (prolate), और ओब्लेट (oblate)।
व्यवस्थित रुझान: यह खोज पड़ोसी $^{116}$ Sn और $^{120}$ Sn आइसोटोप में बहु-आकार सह-अस्तित्व के अवलोकन को विस्तारित करती है, जो Sn आइसोटोप के न्यूट्रॉन मिड-शेल क्षेत्र में एक व्यवस्थित घटना का सुझाव देती है।
मॉडल सत्यापन: यह अध्ययन $Z=50$ क्लोज्ड शेल के पार प्रोटॉन उत्तेजनाओं और आकार उतार-चढ़ाव (shape fluctuations) को शामिल करने की आवश्यकता को रेखांकित करता है। MR-CDFT दृष्टिकोण की सफलता, जो इन जटिल ट्रांजिशन सामर्थ्यों को पुनरुत्पादित करता है, $Z=50$ कोर का उपयोग करने वाले शेल-मॉडल अध्ययनों के विपरीत है, जो इन विशेषताओं को पकड़ने में विफल रहते हैं।
व्यापक संदर्भ: लेखक सुझाव देते हैं कि बहु-आकार सह-अस्तित्व (तीन या अधिक आकारों को शामिल करते हुए) पहले की तुलना में अधिक सामान्य हो सकता है, जो Ni, Pb, और Cd आइसोटोप में देखे गए समान घटनाओं के साथ समानता दर्शाता है।

लेख निष्कर्ष निकालते हैं कि हालांकि MR-CDFT ट्रांजिशन सामर्थ्य को अच्छी तरह से पुनरुत्पादित करता है, लेकिन उत्तेजन ऊर्जाओं का अति-अनुमान भविष्य के शोधन की आवश्यकता को दर्शाता है, जैसे कि टाइम-ऑड (time-odd) घटकों या स्पष्ट गैर-सामूहिक क्वासी-पार्टिकल कॉन्फ़िगरेशन को शामिल करना। लेखक नोट करते हैं कि $0^+_3$ अवस्थाओं पर निर्मित रोटेशनल बैंडों की खोज के लिए फ्यूजन-इवैपोरेशन रिएक्शन और $(\beta_2, \gamma)$ प्लेन को मैप करने के लिए कूलम्बिक एक्सिटेशन अध्ययन जैसे भविष्य के प्रयोगात्मक कार्य की आवश्यकता है, ताकि बहु-आकार सह-अस्तित्व परिदृश्य को मजबूती से स्थापित किया जा सके।

1. "इंट्रूडर" नर्तकों का रहस्य

2. स्टॉपवॉच प्रयोग

3. "शेप-शिफ्टर" का प्रमाण

4. तीन-तरफा सह-अस्तित्व (Three-Way Coexistence)

यह क्यों महत्वपूर्ण है

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