⚛️ nuclear experiments

First observation of single beta decay of $^{96}$ Zr

बक्सान न्यूट्रिनो वेधशाला के शोधकर्ताओं ने एक लो-बैकग्राउंड HPGe डिटेक्टर और समृद्ध जिरकोनियम नमूनों का उपयोग करके $^{96}$ Zr के सिंगल बीटा क्षय का पहला पता लगाया है, जिसमें इसके अर्ध-आयु को लगभग $2.27 \times 10^{20}$ वर्ष मापा गया है और साथ ही इसमें पुत्री नाभिक $^{96}$ Nb के क्रमिक क्षय का भी अवलोकन किया गया है।

मूल लेखक: A. S. Barabash, S. Evseev, D. Filosofov, Yu. M. Gavrilyuk, A. M. Gangapshev, N. Gorshkov, V. V. Kazalov, S. Kazartsev, T. Khussainov, V. V. Kuzminov, A. Lubashevskiy, D. V. Ponomarev, S. Rozov, N. Tem

प्रकाशित 2026-05-19

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CC BY 4.0

मूल लेखक: A. S. Barabash, S. Evseev, D. Filosofov, Yu. M. Gavrilyuk, A. M. Gangapshev, N. Gorshkov, V. V. Kazalov, S. Kazartsev, T. Khussainov, V. V. Kuzminov, A. Lubashevskiy, D. V. Ponomarev, S. Rozov, N. Temerbulatova, S. Vasilyev, E. A. Yakushev, V. I. Yumatov

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

परमाणु नाभिक की कल्पना एक छोटे, अत्यंत स्थिर किले के रूप में करें। इनमें से अधिकांश किलों के लिए, दीवारें इतनी मजबूत होती हैं कि वे अपने आप कभी नहीं टूटतीं। लेकिन कुछ किले पुराने किलों की तरह होते हैं जिनमें नींव में एक एकल, छिपी हुई दरार होती है। इतने लंबे समय के दौरान जो मानव इतिहास को एक पलक झपकने जैसा बना देता है, एक अकेली ईंट अंततः गिर सकती है। इसे वैज्ञानिक "बीटा क्षय" (beta decay) कहते हैं।

दशकों से, भौतिक विज्ञानी जिरकोनियम-96 (96Zr) नामक एक दुर्लभ आइसोटोप में एक विशिष्ट प्रकार के क्षय को खोजने की कोशिश कर रहे हैं। वे जानते थे कि यह होना चाहिए, लेकिन यह इतना अविश्वसनीय रूप से धीमा था कि आज तक कोई वास्तव में इसे घटित होते देख नहीं पाया था। यह एक तूफान में एक अकेली फुसफुसाहट को सुनने की कोशिश करने जैसा था।

महान खोज

रूस और कजाकिस्तान के शोधकर्ताओं के नेतृत्व वाली वैज्ञानिकों की एक टीम ने उस फुसफुसाहट को सुनने के लिए एक अति-संवेदनशील "कान" बनाने का निर्णय लिया। उन्होंने अपना प्रयोग बक्सान न्यूट्रिनो वेधशाला (Baksan Neutrino Observatory) में गहराई में स्थापित किया (ऊपर लगभग 4,900 मीटर चट्टान)। वे इतना गहरा क्यों गए? ताकि अंतरिक्ष से आने वाले कॉस्मिक किरणों के "शोर" को रोका जा सके जो उनके संकेत को दबा सकते थे।

उनका "कान" एक विशेष क्रिस्टल डिटेक्टर (HPGe) था जिसे परम शून्य (absolute zero) के करीब ठंडा किया गया था, और जो तांबे, सीसे और यहाँ तक कि बोरेटेड प्लास्टिक की परतों से घिरा हुआ था ताकि किसी भी भटकते विकिरण को रोका जा सके। उन्होंने इस डिटेक्टर के ठीक बगल में 140 ग्राम अति-शुद्ध, समृद्ध जिरकोनियम-96 रखा। यह कोई साधारण जिरकोनियम नहीं था; यह एक दुर्लभ, महंगा संस्करण था जहाँ 88% परमाणु उसी विशिष्ट प्रकार के थे जिसका वे अध्ययन करना चाहते थे।

जासूसी का काम

यहाँ पेचीदा हिस्सा है: जब एक जिरकोनियम-96 परमाणु क्षय होता है, तो वह केवल गायब नहीं हो जाता। वह एक अलग तत्व, नियोबियम-96 में बदल जाता है। लेकिन यह नया नियोबियम परमाणु उत्तेजित और बेचैन होता है। यह तुरंत गामा किरणों (उच्च-ऊर्जा प्रकाश) का एक विस्फोट छोड़कर शांत होने की कोशिश करता है, जो फिर गामा किरणों की एक श्रृंखला में बदल जाती है क्योंकि परमाणु अपने अंतिम रूप, मोलिब्डेनम-96 में स्थिर होता है।

वैज्ञानिक उस प्रारंभिक क्षय को सीधे नहीं देख सकते थे। इसके बजाय, वे आग से छोड़े गए "धुएं" की तलाश करने वाले जासूसों की तरह काम कर रहे थे। उन्होंने गामा किरणों के उस विशिष्ट पैटर्न का इंतजार किया जो केवल तभी दिखाई देते हैं जब एक जिरकोनियम-96 परमाणु क्षय हुआ हो।

उन्होंने इस प्रयोग को 12,600 घंटों (लगभग 1.5 साल की निरंतर सुनने की अवधि) से अधिक समय तक चलाया।

खोज

अंततः, "फुसफुसाहट" सुनी गई। डिटेक्टर ने विशिष्ट ऊर्जा स्तरों (778, 569, और 1,091 keV) पर गामा किरणों के एक स्पष्ट पैटर्न को पकड़ा जो जिरकोनियम-96 के क्षय के "फिंगरप्रिंट" से मेल खाता था।

परिणाम आश्चर्यजनक थे:

दुर्लभता: उन्होंने गणना की कि इस क्षय का अर्ध-आयु काल (half-life) 2.27 × 10²⁰ वर्ष है। इसे समझने के लिए: ब्रह्मांड केवल लगभग 1.38 × 10¹⁰ वर्ष पुराना है। इसका अर्थ यह है कि जिरकोनियम-96 परमाणु इतना स्थिर है कि नमूने का आधा हिस्सा क्षय होने में लगभग 16 अरब वर्षों तक ब्रह्मांड की वर्तमान आयु के बराबर समय लगेगा।
रिकॉर्ड: यह प्राकृतिक रूप से देखे गए सबसे धीमे, दुर्लभ बीटा क्षय में से एक है। यह एक पहाड़ से रेत के एक अकेले कण के गिरने को देखने जैसा है, लेकिन वह पहाड़ स्वयं समय से बना है।

यह क्यों मायने रखता है?

यह शोध पत्र बताता है कि इस क्षय को खोजना सैद्धांतिक भौतिकी के लिए एक बड़ी जीत है। वर्तमान में, वैज्ञानिक इन परमाणुओं के व्यवहार की भविष्यवाणी करने के लिए जटिल गणित का उपयोग करते हैं, लेकिन उनकी गणनाएँ अक्सर एक-दूसरे से तीन गुना तक भिन्न होती हैं।

अंततः इस विशिष्ट क्षय को मापकर, वैज्ञानिकों ने एक नया, ठोस डेटा बिंदु प्रदान किया है। यह एक मानचित्रकार को एक पुष्ट लैंडमार्क देने जैसा है। अब, वे अपने सिद्धांतों की वास्तविक डेटा के विरुद्ध जांच कर सकते हैं। यदि उनका गणित भविष्यवाणी करता है कि क्षय इस गति से होता है, तो सिद्धांत सही है। यदि नहीं, तो उन्हें अपने समीकरणों को ठीक करने की आवश्यकता है।

यह न्यूट्रिनो (भूतिया कणों) और ब्रह्मांड के मौलिक बलों को समझने के लिए महत्वपूर्ण है। शोध पत्र सुझाव देता है कि यदि वे इसी परमाणु में अन्य प्रकार के क्षय भी खोज पाते हैं, तो वे अंततः इस रहस्य को सुलझा सकते हैं कि क्यों कुछ भौतिक स्थिरांक (physical constants) नाभिक के भीतर बदलते हुए प्रतीत होते हैं (एक समस्या जिसे "क्वेंचिंग" कहा जाता है)।

मुख्य निष्कर्ष

सरल शब्दों में, यह शोध पत्र उन वैज्ञानिकों की कहानी है जिन्होंने एक अत्यंत दुर्लभ परमाणु घटना को पकड़ने के लिए एक साल से अधिक समय तक एक गहरी, शांत गुफा में प्रतीक्षा की। वे सफल रहे, यह सिद्ध करते हुए कि सबसे जिद्दी परमाणु भी अंततः बदलते हैं, और ऐसा करके, उन्होंने भौतिकविदों को ब्रह्मांड के नियमों को समझने के लिए एक नया, सटीक उपकरण दिया है।

तकनीकी सारांश: $^{96}$ Zr के एकल बीटा क्षय का प्रथम अवलोकन

समस्या और प्रेरणा
डबल बीटा क्षय ( $\beta\beta$ ) का अध्ययन नाभिकीय और कण भौतिकी के लिए केंद्रीय है, विशेष रूप से न्यूट्रिनोलेस डबल बीटा क्षय ( $0\nu\beta\beta$ ) की खोज में, जो लेप्टॉन संख्या उल्लंघन और न्यूट्रिनो की मेजरोना प्रकृति (Majorana nature) को सूचित करेगा। $0\nu\beta\beta$ पर प्रायोगिक सीमाओं की व्याख्या करने में एक महत्वपूर्ण बाधा परमाणु मैट्रिक्स तत्व (NME) गणनाओं की निम्न सटीकता है, जो वर्तमान में लगभग 3 के कारक से अनिश्चित है। सैद्धांतिक मॉडलों में सुधार के लिए, एक ही नाभिक के विभिन्न क्षय चैनलों पर प्रायोगिक डेटा की आवश्यकता होती है।

$^{96}$ Zr नाभिक ऐसे अध्ययनों के लिए एक अद्वितीय उम्मीदवार है। इसमें ग्राउंड-स्टेट और एक्साइटेड-स्टेट $2\nu\beta\beta$ क्षय दोनों के लिए उच्च संक्रमण ऊर्जाएँ मौजूद हैं। इसके अलावा, अधिकांश $\beta\beta$ उम्मीदवारों के विपरीत, $^{96}$ Zr सैद्धांतिक रूप से साधारण सिंगल बीटा क्षय ( $\beta^-$ ) के माध्यम से $^{96}$ Nb में होने में सक्षम है, हालांकि यह प्रक्रिया क्वांटम संख्या अंतर और कम $Q$ -वैल्यू ( $Q_\beta \approx 164$ keV) के कारण अत्यधिक दमित (suppressed) है (एक 4th forbidden unique transition)। जबकि $^{96}$ Zr का $2\nu\beta\beta$ क्षय सुस्थापित है, सिंगल बीटा क्षय का अभी तक प्रयोगात्मक पंजीकरण नहीं हुआ था, जिसमें पिछले सीमा स्तर $T_{1/2} > 3.8 \times 10^{19}$ वर्ष निर्धारित किए गए थे। इस क्षय का अवलोकन सैद्धांतिक मॉडलों के लिए एक अद्वितीय बाधा प्रदान करेगा, जिसके लिए 4th forbidden $\beta$ क्षय और ग्राउंड एवं एक्साइटेड अवस्थाओं दोनों में $2\nu\beta\beta$ संक्रमणों के बीच निरंतरता की आवश्यकता होगी, जिससे अक्षीय वेक्टर स्थिरांक $g_A$ के "क्वेंचिंग" (quenching) संबंधी मुद्दों को स्पष्ट करने में मदद मिल सकती है।

कार्यप्रणाली (Methodology)
प्रयोग बक्सान न्यूट्रिनो वेधशाला (4900 मीटर जल तुल्य) में लो-बैकग्राउंड SNEG सेटअप का उपयोग करके आयोजित किया गया था। डिटेक्शन सिस्टम में एक 211 cm $^3$ हाई-प्योरिटी जर्मेनियम (HPGe) डिटेक्टर था जिसकी ऊर्जा रिज़ॉल्यूशन 1332 keV पर 2.0 keV (FWHM) थी, जो पैसिव शील्डिंग (कॉपर, लेड, कैडमियम और बोरेटेड पॉलीइथाइलीन) से घिरा हुआ था और रेडोन को हटाने के लिए लिक्विड नाइट्रोजन वेपर से शुद्ध किया गया था।

स्रोत सामग्री में गैस सेंट्रीफ्यूजेशन द्वारा निर्मित समृद्ध जिरकोनियम के दो नमूने शामिल थे, जिनका कुल द्रव्यमान 140.65 ग्राम और $^{96}$ Zr का परमाणु अंश 88.28% (लगभग $\approx 8.83 \times 10^{23}$ नाभिक) था। नमूनों को डिटेक्टर के पास अल्ट्रा-प्योर नायलॉन कंटेनरों में रखा गया था। प्रयोग ने 12,625.34 घंटों का डेटा संचित किया।

क्षय योजना (Decay scheme) में $^{96}$ Zr ( $0^+$ ) का $^{96}$ Nb ( $4^+, 5^+, 6^+$ ) की एक्साइटेड अवस्थाओं में क्षय शामिल है, जिसके बाद $^{96}$ Nb ( $T_{1/2} = 23.35$ h) का $^{96}$ Mo की एक्साइटेड अवस्थाओं में क्षय होता है। डिटेक्शन रणनीति $^{96}$ Mo के ग्राउंड स्टेट में डी-एक्साइट होने पर उत्सर्जित $\gamma$ -रे कैस्केड की पहचान करने पर आधारित थी। विशेष रूप से, विश्लेषण तीन तीव्र $\gamma$ -लाइनों पर केंद्रित था: 778.22 keV (96.45% तीव्रता), 568.87 keV (58.0%), और 1091.35 keV (48.5%)।

डेटा प्रोसेसिंग में पल्स शेप एनालिसिस, बेसलाइन करेक्शन और डिजिटल ट्रेपेज़ॉइडल फिल्टरिंग शामिल थी। ऊर्जा स्पेक्ट्रम का विश्लेषण ROOT सॉफ्टवेयर पैकेज का उपयोग करके किया गया। बैकग्राउंड अनुमान एक अलग बैकग्राउंड माप (2,896.98 h) और डिटेक्शन दक्षता निर्धारित करने के लिए मोंटे कार्लो सिमुलेशन (Geant3.21 और Geant4) का उपयोग करके किया गया था। दक्षता गणना को एक ज्ञात $^{238}$ U स्रोत के विरुद्ध कैलिब्रेट किया गया था।

प्रमुख परिणाम
विश्लेषण ने समृद्ध जिरकोनियम नमूनों से प्राप्त स्पेक्ट्रम में 778.22, 568.87, और 1091.35 keV पर स्पष्ट पीक्स की पहचान की, जो कंट्रोल स्पेक्ट्रम में अनुपस्थित थे या बैकग्राउंड के अनुरूप थे।

सिग्नल महत्व (Signal Significance): तीनों लाइनों में सिग्नल की सांख्यिकीय सार्थकता 6.4 $\sigma$ अनुमानित की गई।
हाफ-लाइफ मापन: कुल सिग्नल ( $S_{tot} = 94.66 \pm 17.89$ इवेंट्स) और कुल रजिस्ट्रेशन दक्षता (2.444%) के आधार पर, $^{96}$ Zr के सिंगल बीटा क्षय के लिए हाफ-लाइफ निर्धारित की गई:
$T_{1/2} = [2.27^{+0.53}_{-0.36}(\text{stat}) \pm 0.27(\text{syst})] \times 10^{20} \text{ yr}$
सिस्टमैटिक अनिश्चितताएं (Systematic Uncertainties): व्यवस्थित त्रुटि (12%) मुख्य रूप से पंजीकरण दक्षता ( $\pm 5\%$ ), बैकग्राउंड निर्धारण ( $\pm 10\%$ ), और इवेंट काउंटिंग ( $\pm 3\%$ ) की अनिश्चितताओं से उत्पन्न होती है। एक छोटा अतिरिक्त योगदान ( $\sim 3\%$ ) $^{96}$ Zr के $0^+_1$ एक्साइटेड स्टेट $^{96}$ Mo में काल्पनिक क्षय के कारण है।
नमूना शुद्धता: समृद्ध जिरकोनियम नमूनों में रेडियोधर्मी अशुद्धियों के विश्लेषण ने केवल ऊपरी सीमाएं प्रदान कीं, जिससे सामग्री की उच्च शुद्धता की पुष्टि हुई (जैसे, $^{238}$ U गतिविधि $< 35.8$ mBq/kg)।

महत्व और दावे
यह शोध पत्र $^{96}$ Zr के सिंगल बीटा क्षय के प्रथम अवलोकन की रिपोर्ट करता है। मापी गई हाफ-लाइफ $\approx 2.27 \times 10^{20}$ वर्ष सभी ज्ञात $\beta$ -क्षय नाभिकों में सबसे लंबी हाफ-लाइफ है और यह अब तक के सबसे दुर्लभ बीटा क्षयों में से एक है (केवल $^{115}$ In के एक एक्साइटेड स्टेट में क्षय द्वारा ही पीछे छोड़ा गया है)।

लेखक दावा करते हैं कि यह परिणाम सैद्धांतिक नाभिकीय भौतिकी के लिए एक अद्वितीय संदर्भ प्रदान करता है। नया डेटा बिंदु 4th forbidden साधारण $\beta$ क्षय और $2\nu\beta\beta$ क्षय चैनलों के बीच एक निरंतरता जांच (consistency check) की अनुमति देता। मापा गया मान QRPA मॉडल भविष्यवाणियों ( $2.4 \times 10^{20}$ yr) के साथ अच्छी सहमति में है, लेकिन यह शेल मॉडल (Shell Model) गणनाओं ( $1.1 \times 10^{20}$ yr) द्वारा अनुमानित मान से लगभग दोगुना है। लेखक सुझाव देते हैं कि यह प्रयोगात्मक इनपुट, भविष्य के $2\nu\beta\beta$ क्षय (विशेष रूप से $^{96}$ Mo की एक्साइटेड अवस्था में) के संभावित अवलोकनों के साथ मिलकर, NME गणनाओं को परिष्कृत करने और अक्षीय वेक्टर स्थिरांक $g_A$ के "क्वेंचिंग" की प्रकृति को स्पष्ट करने में सहायता करेगा। शोध पत्र ने $^{96}$ Nb की $4^+$ , $5^+$ , या $6^+$ अवस्थाओं में संक्रमण के बीच अंतर करने का दावा नहीं किया है, हालांकि यह उल्लेख करता है कि $5^+$ संक्रमण सैद्धांतिक रूप से सबसे अधिक संभावित है।

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मुख्य निष्कर्ष

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