⚛️ nuclear experiments

First investigation of $^{96}$ Zr samples enriched by the gas-centrifuge method for the use in rare-decay studies

यह शोधपत्र गैस-सेंट्रीफ्यूज-संवर्धित $^{96}$ Zr नमूनों के प्रथम उत्पादन और उनके पश्चात के निम्न-पृष्ठभूमि अन्वेषण की रिपोर्ट करता है, जिसने $^{96}$ Mo की $0^+_1$ उत्तेजित अवस्था में $^{96}$ Zr के डबल बीटा क्षय के लिए $T_{1/2} > 3.9 \times 10^{19}$ वर्ष की एक नई, कठोर अर्ध-आयु सीमा स्थापित की है।

मूल लेखक: D. Arefev, A. S. Barabash, M. De Jesus, S. Evseev, D. Filosofov, N. Gorshkov, V. Kazalov, D. Karaivanov, T. Khussainov, O. Kochetov, D. Kushnarev, N. A. Mirzayev, A. Lubashevskiy, D. Ponomarev, A. Rak

प्रकाशित 2026-05-14

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CC BY 4.0

मूल लेखक: D. Arefev, A. S. Barabash, M. De Jesus, S. Evseev, D. Filosofov, N. Gorshkov, V. Kazalov, D. Karaivanov, T. Khussainov, O. Kochetov, D. Kushnarev, N. A. Mirzayev, A. Lubashevskiy, D. Ponomarev, A. Rakhimov, S. Rozov, K. Shakhov, N. Temerbulatova, D. Timofeev, A. Ushakov, S. Vasilyev, E. Yakushev, V. Yumatov, S. Zyryanov

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 भीड़ भरे कमरे में "भूत" की तलाश करना

कल्पना कीजिए कि आप एक बहुत ही शोर वाले, भीड़ भरे कमरे (हमारी रोजमर्रा की दुनिया) में एक अत्यंत धीमी फुसफुसाहट (एक दुर्लभ परमाणु क्षय/atomic decay) को सुनने की कोशिश कर रहे हैं। यह "फुसफुसाहट" एक विशिष्ट प्रकार की परमाणु घटना है जिसे डबल बीटा डिके (double beta decay) कहा जाता है, जहाँ एक परमाणु दो कणों को एक साथ उत्सर्जित करके अपनी पहचान बदल लेता है। वैज्ञानिक विशेष रूप से इसके एक संस्करण में रुचि रखते हैं जिसे "न्यूट्रिनोलेस" (neutrinoless) डिके कहा जाता है, क्योंकि इसे खोजना ब्रह्मांड की प्रकृति के बारे में एक मौलिक रहस्य (कि क्या न्यूट्रिनो जैसे सूक्ष्म कण अपने स्वयं के एंटी-पार्टिकल्स होते हैं) को सिद्ध कर देगा।

इस शो का मुख्य आकर्षण जिरकोनियम-96 ( $^{96}\text{Zr}$ ) नामक एक विशिष्ट परमाणु है। यह इस प्रयोग के लिए एक बेहतरीन उम्मीदवार है क्योंकि इसमें अपने क्षय (decay) के लिए एक बहुत अधिक "ऊर्जा बजट" होता है, जिससे यदि यह होता है, तो इसे पहचानना आसान हो जाता है। हालाँकि, एक समस्या है: प्राकृतिक जिरकोनियम मिश्रित M&Ms के एक बैग की तरह है जहाँ केवल 2.8% ही आपकी पसंद के रंग के हैं। इस प्रयोग को करने के लिए, आपको केवल सही रंग का एक बहुत बड़ा बैग चाहिए।

सफलता: M&Ms को छाँटने का एक नया तरीका

अब तक, इस विशिष्ट जिरकोनियम-96 को प्राप्त करना हाथ से चिमटी (tweezers) के जरिए M&Ms को छाँटने जैसा था। यह धीमा, महंगा था, और आप केवल एक छोटी सी मुट्ठी (कुछ दर्जन ग्राम) ही प्राप्त कर सकते थे।

इस शोध पत्र ने क्या किया:
टीम ने इन परमाणुओं को छाँटने के लिए गैस-सेंट्रीफ्यूजेशन (gas-centrifugation) नामक एक नई विधि का सफलतापूर्वक उपयोग किया। इसे एक उच्च गति वाली वाशिंग मशीन की तरह समझें जो इतनी तेजी से घूमती है कि वह भारी कपड़ों को हल्के कपड़ों से अलग कर देती है। जिरकोनियम गैस को घुमाकर, वे भारी जिरकोनियम-96 परमाणुओं को बाकी चीजों से अलग करने में सक्षम हुए।

परिणाम: उन्होंने शुद्ध जिरकोनियम-96 का एक विशाल ढेर तैयार किया—लगभग 180 ग्राम। यह उस मात्रा से 10 गुना अधिक है जो पिछले प्रयोगों में कभी भी एकत्र की जा सकी थी।

प्रयोग: समुद्र तल पर सुनना

आमतौर पर, इन शांत फुसफुसाहटों को सुनने के लिए, आपको ब्रह्मांडीय किरणों (अंतरिक्ष से आने वाले कणों) के "शोर" को रोकने के लिए बहुत गहराई में भूमिगत (underground) जाना पड़ता है। हालाँकि, एक भूमिगत लैब बनाने में वर्षों लग जाते हैं।

रणनीति:
टीम ने तय किया कि वे अपने नए, अति-शुद्ध जिरकोनियम नमूनों का परीक्षण पहले समुद्र तल (sea level) पर करेंगे।

सेटअप: उन्होंने तीन अति-संवेदनशील माइक्रोफोन (जिन्हें HPGe डिटेक्टर कहा जाता है) के चारों ओर एक "किला" बनाया। इस किले में बाहरी शोर को रोकने के लिए लेड (lead), कॉपर और प्लास्टिक की परतें शामिल थीं, साथ ही एक "म्यूऑन वीटो" (muon veto) भी था (एक सुरक्षा प्रणाली जो किसी भी सिग्नल को अनदेखा कर देती है यदि कोई कॉस्मिक किरण इमारत से टकराती है)।
परीक्षण: उन्होंने अपने जिरकोनियम नमूनों (बोराइड पाउडर और ऑक्साइड पाउडर के रूप में) को इन डिटेक्टरों के ठीक ऊपर रखा और 244 घंटों तक उनकी आवाज़ सुनी।

निष्कर्ष: क्या सामग्री स्वच्छ है?

इससे पहले कि वे "भूत" (दुर्लभ क्षय) को सुन सकें, उन्हें यह सुनिश्चित करना था कि जिरकोनियम स्वयं अन्य रेडियोधर्मी तत्वों से "गंदा" तो नहीं है जो गलत अलार्म पैदा कर सकते हैं।

जाँच: उन्होंने यूरेनियम और थोरियम (सामान्य रेडियोधर्मी अशुद्धियाँ) के अंशों की जाँच की।
फैसला: नमूने अविश्वसनीय रूप से स्वच्छ थे। अशुद्धियों से होने वाला "शोर" इतना कम था कि इसने सिद्ध कर दिया कि सामग्री वास्तविक, गहरे भूमिगत प्रयोग के लिए सुरक्षित और तैयार है।

परिणाम: एक नया रिकॉर्ड (भले ही बिना भूमिगत गए)

भले ही वे समुद्र तल पर थे (जहाँ बैकग्राउंड शोर अधिक होता है), वे जिरकोनियम-96 परमाणु के क्षय होने से पहले के जीवनकाल (half-life) का एक नया रिकॉर्ड बनाने में सफल रहे।

सीमा: उन्होंने गणना की कि इस विशिष्ट क्षय का अर्ध-आयु काल (half-life) 39 क्विंटिलियन वर्षों ( $3.9 \times 10^{19}$ वर्ष) से अधिक लंबा है।
महत्व: यह समुद्र तल पर निर्धारित अब तक की सबसे सख्त सीमा है। हालांकि यह एक गहरे भूमिगत लैब जितना संवेदनशील नहीं है, लेकिन यह साबित करता है कि उनका नया 180-ग्राम का जिरकोनियम ढेर पूरी तरह से काम कर रहा है।

निचोड़ (Bottom Line)

यह शोध पत्र अनिवार्य रूप रूप से एक "प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट" (अवधारणा की पुष्टि) और एक "क्वालिटी कंट्रोल" (गुणवत्ता नियंत्रण) रिपोर्ट है।

हम इसे बना सकते हैं: हम अब गैस सेंट्रीफ्यूज का उपयोग करके सस्ते और तेज़ी से बड़ी मात्रा में जिरकोनियम-96 का उत्पादन कर सकते हैं।
यह स्वच्छ है: सामग्री सबसे संवेदनशील भौतिक विज्ञान प्रयोगों के उपयोग के लिए पर्याप्त शुद्ध है।
अगला कदम: टीम अब इस विशाल 180-ग्राम के नमूने को एक भूमिगत प्रयोगशाला में ले जाने के लिए प्रेरित है। इतनी बड़ी मात्रा और शांत वातावरण के साथ, वे अंततः डबल बीटा डिके की "फुसफुसाहट" को पकड़ने और संभावित रूप से नई भौतिकी की खोज करने की उम्मीद करते हैं।

संक्षेप में: उन्होंने एक बेहतर छँटाई करने वाली मशीन बनाई, सही परमाणुओं का एक बड़ा ढेर बनाया, उस ढेर की शुद्धता की जाँच की, और सिद्ध किया कि अगला बड़ा प्रयोग एक बड़ी सफलता होने जा रहा है।

तकनीकी सारांश: दुर्लभ-क्षय अध्ययनों के लिए गैस-सेंट्रीफ्यूज द्वारा संवर्धित $^{96}$ Zr का प्रथम अन्वेषण

समस्या और प्रेरणा
दो-न्यूट्रिनो डबल बीटा क्षय ( $2\nu2\beta$ ) का अध्ययन न्यूट्रिनोलेस डबल बीटा क्षय ( $0\nu2\beta$ ) की जांच के लिए एक महत्वपूर्ण मार्ग है, जो कि एक ऐसी प्रक्रिया है, यदि यह देखी जाती है, तो यह न्यूट्रिनो की मेजरोना (Majorana) प्रकृति की पुष्टि करेगी। उम्मीदवार आइसोटोपों में, $^{96}$ Zr अपने उच्च क्षय Q-मान (3356.1 keV) के कारण विशेष रूप से आकर्षक है, जो $^{76}$ Ge और $^{136}$ Xe जैसे अन्य उम्मीदवारों की तुलना में बैकग्राउंड रिजेक्शन (पृष्ठभूमि अस्वीकृति) में एक महत्वपूर्ण लाभ प्रदान करता है। हालांकि, पिछले अन्वेषणों में आइसोटोपिक रूप से संवर्धित $^{96}$ Zr की कमी के कारण गंभीर सीमाएं थीं। ऐतिहासिक रूप से, संवर्धन विद्युत चुंबकीय पृथक्करण (electromagnetic separation) के माध्यम से किया जाता था, जो कि एक ऐसी विधि है जिससे केवल कम मात्रा (कुछ दर्जन ग्राम) और अत्यधिक लागत पर प्राप्त होती है। इस कमी ने दुर्लभ क्षय चैनलों, विशेष रूप से $^{96}$ Mo की उत्तेजित अवस्थाओं (excited states) में संक्रमण के अन्वेषण को बाधित किया है।

कार्यप्रणाली
सामग्री की सीमाओं को दूर करने के लिए, लेखकों ने गैस-सेंट्रीफ्यूज विधि का उपयोग करके पहली बार संवर्धित $^{96}$ Zr का उत्पादन किया। इस प्रक्रिया में एक वाष्पशील वर्किंग कंपाउंड के रूप में जिरकोनियम टेट्राकिसबोरोहाइड्राइड, Zr(BH $_4$ ) $_4$ का उपयोग किया गया। ज़ेलेनोगोर्स्कक, रूस में इलेक्ट्रोकेमिकल प्लांट में बार-बार पृथक्करण कैस्केड के माध्यम से, 88.28% संवर्धन स्तर प्राप्त किया गया। इस संवर्धित अंश से दो रासायनिक रूप तैयार किए गए: जिरकोनियम बोराइड (अनुभवजन्य रूप से ZrB $_4$ के रूप में अनुमानित) और जिरकोनियम ऑक्साइड (ZrO $_2$ )।

कुल 179.816 ग्राम $^{96}$ Zr द्रव्यमान के तीन नमूनों को रेडियोप्योर नायलॉन कंटेनरों में एनकैप्सुलेट किया गया। इन्हें संभावित रूप से भूमिगत प्रयोगशाला में तैनाती से पहले उनकी रेडियोप्यूरिटी (विकिरण शुद्धता) का मूल्यांकन करने के लिए जॉइंट इंस्टीट्यूट फॉर न्यूक्लियर रिसर्च (JINR) में समुद्र तल पर लो-बैकग्राउंड मापन के लिए रखा गया। प्रयोगात्मक सेटअप में तीन लो-बैकग्राउंड P-टाइप HPGe डिटेक्टर (दो $\sim$ 1.43 किग्रा और एक $\sim$ 0.96 किग्रा) शामिल थे, जो निष्क्रिय शील्डिंग (नायलॉन, कॉपर, बोरेटेड पॉलिथीन और लेड) और एक सक्रिय मयून वीटो सिस्टम से घिरे हुए थे।

विश्लेषण में शामिल था:

बैकग्राउंड लक्षण वर्णन: 1179 घंटों के दौरान बैकग्राउंड स्पेक्ट्रा और 244 घंटों के दौरान नमूना स्पेक्ट्रा का विस्तृत मापन।
मोंटे कार्लो सिमुलेशन: डिटेक्टर रिस्पॉन्स, शील्डिंग और नमूना ज्यामिति को मॉडल करने के लिए Geant4 सिमुलेशन का उपयोग किया गया। इन सिमुलेशनों ने विशिष्ट गामा लाइनों ( $^{214}$ Pb से 352 keV, $^{208}$ Tl से 583 keV, और $^{96}$ Zr के $^{96}$ Mo की $0^+_1$ उत्तेजित अवस्था में क्षय से 370/778 keV कैस्केड) के लिए डिटेक्शन दक्षता की गणना की।
सांख्यिकीय विश्लेषण: रुचि के क्षेत्रों (ROIs) में देखे गए काउंट रेट के आधार पर रेडियोन्यूक्लाइड अशुद्धियों और क्षय अर्ध-आयु (half-lives) की ऊपरी सीमा निर्धारित करने के लिए फेलडमैन-कॉसेंस (Feldman–Cousins) दृष्टिकोण का उपयोग किया गया।

मुख्य परिणाम

आइसोटोप उत्पादन: 88.28% संवर्धन के साथ 179.816 ग्राम $^{96}$ Zr का सफल उत्पादन एक तकनीकी सफलता है, जो पिछले अध्ययनों में उपयोग किए गए नमूनों की तुलना में एक बड़ा द्रव्यमान प्रदान करता है।
रेडियोप्यूरिटी: नमूनों ने दुर्लभ-घटना खोजों के लिए उपयुक्त उच्च रेडियोप्यूरिटी प्रदर्शित की। 90% विश्वास स्तर (C.L.) पर रेडियोन्यूक्लाइड अशुद्धियों की ऊपरी सीमाएँ स्थापित की गईं:
- $^{214}$ Pb गतिविधि: < 50 mBq/kg।
- $^{208}$ Tl गतिविधि: < 31 mBq/kg।
  नमूना स्पेक्ट्रा में बैकग्राउंड से कोई महत्वपूर्ण अतिरिक्त वृद्धि नहीं देखी गई।
क्षय सीमाएँ: $^{96}$ $^{96}$ Mo की $0^+_1$ $0_{1}^{+}$ (1148 keV) उत्तेजित अवस्था में डबल बीटा क्षय का कोई प्रमाण नहीं मिला। फलस्वरूप, समुद्र तल पर इस संक्रमण के लिए अब तक की सबसे सख्त सीमा निर्धारित की गई:
- $T_{1/2}(0\nu + 2\nu) > 3.9 \times 10^{19}$ वर्ष (90% C.L.)।

महत्व और दावे
यह शोध पत्र दावा करता है कि यह कार्य गैस-सेंट्रीफ्यूज विधि के माध्यम से $^{96}$ Zr के पहले उत्पादन का प्रतिनिधित्व करता है, जो संवर्धित जिरकोनियम के बड़े द्रव्यमान को तैयार करने में सक्षम बनाता है। हालांकि वर्तमान समुद्र तल के मापन में क्षय का पता नहीं चला, लेकिन लेखक इस बात पर जोर देते हैं कि नमूना द्रव्यमान में पर्याप्त वृद्धि (179.816 ग्राम बनाम पिछले 8.16 ग्राम या 17.9 ग्राम के नमूने) भविष्य के प्रयोगों की संवेदनशीलता को काफी बढ़ा देती है। स्थापित रेडियोप्यूरिटी दुर्लभ-घटना खोजों के लिए नमूनों की उपयुक्तता की पुष्टि करती है। लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि इन नमूनों को एक भूमिगत प्रयोगशाला में तैनात करना $^{96}$ Mo की $0^+_1$ उत्तेजित अवस्था में $^{96}$ Zr के $2\nu2\beta$ क्षय का पता लगाने की संवेदनशीलता को महत्वपूर्ण रूप से सुधारने के लिए अगला तार्किक कदम है।