⚛️ nuclear experiments

Low lying excitations in $^{150}$ Pm

यह अध्ययन प्रोटॉन-प्रेरित अभिक्रियाओं और $\gamma$ -किरण स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करके विषम-विषम (odd-odd) नाभिक $^{150}$ Pm के निम्न-स्तरीय उत्तेजनाओं की जांच करता है ताकि 15 नए स्तरों के साथ एक नया स्तर क्रम स्थापित किया जा सके, अनंतिम स्पिन-पैरिटी असाइनमेंट और जीवनकाल निर्धारित किया जा सके, और बड़े आधार (large basis) तथा प्रक्षिप्त शैल मॉडल (projected shell model) गणनाओं के माध्यम से परिणामों की व्याख्या की जा सके, जो एक $1^-$ ग्राउंड स्टेट, एक निकटवर्ती $2^-$ अवस्था, और एक निम्न-स्तरीय $6^-$ आइसोमर को प्रकट करता है।

मूल लेखक: A. Pal, S. Basak, T. Bhattacharjee, Nazira Nazir, G. H. Bhat, S. Jehangir, D. Kumar, A. Saha, S. S. Alam, D. Banerjee, A. Das, A. Adhikari, A. Gupta, S. Das, A. Bisoi, Y. Sapkota, S. Sharma, S. Samant

प्रकाशित 2026-06-25

📖 6 मिनट में पढ़ें🧠 गहराई से पढ़ें

CC BY 4.0

मूल लेखक: A. Pal, S. Basak, T. Bhattacharjee, Nazira Nazir, G. H. Bhat, S. Jehangir, D. Kumar, A. Saha, S. S. Alam, D. Banerjee, A. Das, A. Adhikari, A. Gupta, S. Das, A. Bisoi, Y. Sapkota, S. Sharma, S. Samanta, S. Chatterjee, R. Raut, S. S. Ghugre, J. A. Sheikh

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 ठोस गेंद के रूप में नहीं, बल्कि एक हलचल भरे, अराजक डांस फ्लोर के रूप में करें जहाँ प्रोटॉन और न्यूट्रॉन नर्तक हैं। अधिकांश नाभिकों में, ये नर्तक पूर्ण, अनुमानित पैटर्न में चलते हैं। लेकिन कुछ "संक्रमणकालीन" (transitional) नाभिकों में, जैसे कि इस शोध पत्र में अध्ययन किया गया नाभिक (प्रोमेथियम-150, या 150Pm), डांस फ्लोर थोड़ा अस्थिर होता है। यह एक गोलाकार आकार (एक चिकनी गेंद की तरह) और एक विकृत आकार (एक रग्बी बॉल की तरह) के बीच बिल्कुल किनारे पर है।

यह शोध पत्र मूल रूप से परमाणु भौतिकविदों की एक टीम की रिपोर्ट है जो इस विशिष्ट डांस फ्लोर पर गए थे ताकि यह पता लगा सकें कि नर्तक ठीक कैसे चल रहे हैं, उनका स्पिन क्या है, और वे अपनी मुद्रा बदलने से पहले कुछ स्थितियों में कितनी देर तक रहते हैं।

यहाँ उनकी यात्रा और निष्कर्षों का विवरण दिया गया है:

1. चुनौती: एक भूत को पकड़ना

150Pm का अध्ययन करना एक ऐसे भूत की तस्वीर खींचने जैसा है जो केवल कुछ घंटों के लिए दिखाई देता है।

समस्या: यह परमाणु अस्थिर है और प्राकृतिक रूप से बड़ी मात्रा में मौजूद नहीं है। आप इसे बस खोदकर नहीं निकाल सकते; आपको इसे बनाना होगा।
विधि: टीम ने एक विशाल कण त्वरक (साइकिलोट्रॉन) का उपयोग किया ताकि नियोडिमियम-150 के लक्ष्य पर प्रोटॉन (छोटे, तेज़ बुलेट्स) दागे जा सकें। जब प्रोटॉन लक्ष्य से टकराते हैं, तो वे एक न्यूट्रॉन को बाहर निकाल देते हैं और परमाणु को 150Pm में बदल देते हैं।
डिटेक्शन: जैसे ही ये नए परमाणु शांत होते हैं, वे गामा किरणों के रूप में प्रकाश की चमक उत्सर्जित करते हैं। टीम ने इन चमकों को पकड़ने के लिए पांच "क्लोवर" डिटेक्टरों (जो फूलों की पंखुड़ियों की तरह दिखते हैं) का एक परिष्कृत समूह और एक विशेष लो-एनर्जी डिटेक्टर का उपयोग किया। यह एक हाई-स्पीड कैमरा टीम होने जैसा है जो यह पकड़ने की कोशिश कर रही है कि नर्तक कब घूमता है और उससे निकलने वाली रोशनी क्या है।

2. अराजकता को छाँटना: "दो समूहों" की खोज

डिटेक्टरों ने हजारों चमक दर्ज कीं। पेचीदा हिस्सा यह था कि प्रयोग ने गलती से एक थोड़ा अलग परमाणु (प्रोमेथियम-149) भी बना दिया था, जो चमक भी रहा था। यह लाल और नीले मोतियों के मिले-जुले ढेर को छाँटने जैसा था।

तरकीब: टीम ने प्रयोग को दो अलग-अलग गति (बीम ऊर्जा) पर चलाया। उन्होंने देखा कि "लाल मोती" (149Pm) एक तरह से व्यवहार करते थे, जबकि "नीले मोती" (150Pm) अलग तरह से व्यवहार करते थे। दोनों गति के डेटा की तुलना करके, वे शोर को फ़िल्टर कर सके और 150Pm के वास्तविक संकेतों को अलग कर सके।
परिणाम: उन्होंने सफलतापूर्वक "लेवल स्कीम" (स्तर योजना) का मानचित्र तैयार किया। इसे एक इमारत का फ्लोर प्लान बनाने के रूप में समझें। उन्होंने 15 नए कमरे (ऊर्जा स्तर) और 16 नए गलियारे (गामा रे ट्रांजिशन) खोजे जो पहले किसी ने नहीं देखे थे।

3. डांस मूव्स: स्पिन और पैरिटी

परमाणु भौतिकी में, प्रत्येक ऊर्जा स्तर का एक "स्पिन" (यह कितनी तेज़ी से घूम रहा है) और "पैरिटी" (कि क्या यह अपने दर्पण प्रतिबिंब जैसा है या उल्टा है) होता है।

ग्राउंड स्टेट (मूल अवस्था): सबसे महत्वपूर्ण प्रश्न यह था: इस परमाणु की "डिफ़ॉल्ट" मुद्रा क्या है? पिछले अध्ययन इस बात पर बहस कर रहे थे कि क्या यह "1-माइनस" या "2-माइनस" मुद्रा है।
फैसला: अपने नए डेटा को कंप्यूटर सिमुलेशन (शेल मॉडल्स) के साथ जोड़कर, टीम ने निष्कर्ष निकाला कि ग्राउंड स्टेट 1-माइनस है।
निकट पड़ोसी: उन्होंने एक अवस्था भी पाई जो ग्राउंड स्टेट के बहुत करीब है (केवल लगभग 50 keV दूर, जो एक शोर भरे कमरे में एक फुसफुसाहट की तरह है) जिसका स्पिन 2-माइनस है।
आइसोमर: उन्होंने एक "मेटास्टेबल" अवस्था (आइसोमर) की पहचान की जिसका स्पिन 6-माइनस है। इसे एक ऐसे नर्तक के रूप में समझें जो अचानक वापस आने से पहले एक पल के लिए एक कठिन मुद्रा में फंस जाता है।

4. डांस का समय: लाइफटाइम

टीम यह जानना चाहती थी कि ये परमाणु उत्साहित "कमरों" में कितनी देर रहते हैं इससे पहले कि वे ग्राउंड फ्लोर पर गिर जाएं।

तकनीक: उन्होंने "जनरलाइज्ड सेंट्रॉइड डिफरेंस" नामक विधि का उपयोग किया। कल्पना करें कि दो धावक थोड़ी अलग स्थितियों से शुरू करते हैं। यह मापकर कि फिनिश लाइन पार करने में कितना सूक्ष्म अंतर आया, आप उनकी गति की गणना कर सकते हैं।
निष्कर्ष: उन्होंने दो विशिष्ट स्तरों के "लाइफटाइम" को मापा। दोनों अविश्वसनीय रूप से तेज़ थे, जो 2 नैनोसेकंड (अरबवें सेकंड) से भी कम समय के लिए रहे। यह बताता है कि ये अवस्थाएं बहुत अस्थिर हैं और लगभग तुरंत नीचे गिर जाती हैं।

5. कंप्यूटर सिमुलेशन: क्या सिद्धांत मेल खाता है?

अपने अवलोकनों को समझने के लिए, टीम ने दो प्रकार के कंप्यूटर सिमुलेशन चलाए:

स्फेरिकल मॉडल (गोलाकार मॉडल): यह नाभिक को एक चिकनी गेंद के रूप में मानता है। इसने ग्राउंड स्टेट और पास की निम्न-ऊर्जा अवस्थाओं की सफलतापूर्वक भविष्यवाणी की, जिससे पुष्टि हुई कि एकल कण (प्रोटॉन और न्यूट्रॉन) यहाँ मुख्य नर्तक हैं।
प्रोजेक्टेड शेल मॉडल: यह नाभिक को एक थोड़े दबे हुए रग्बी बॉल के रूप में मानता है। इस मॉडल ने "बैंड स्ट्रक्चर" (ऊर्जा स्तरों के समूह जो एक सीढ़ी की तरह दिखते हैं) को समझाने में मदद की। इसने सुझाव दिया कि ये स्तर प्रोटॉन-न्यूट्रॉन जोड़ों (क्वासीपार्टिकल्स) के एक साथ नाचने से बनते हैं।

सारांश

सरल शब्दों में, यह शोध पत्र एक बहुत ही अस्थिर, संक्रमणकालीन परमाणु नाभिक का विस्तृत मानचित्र है। टीम ने:

एक कण त्वरक का उपयोग करके परमाणु बनाया।
15 नए ऊर्जा स्तरों को खोजने के लिए बैकग्राउंड शोर को फ़िल्टर किया।
यह निर्धारित किया कि इस परमाणु की "डिफ़ॉल्ट" अवस्था 1-माइनस स्पिन है।
एक पास की 2-माइनस अवस्था और एक उच्च 6-माइनस आइसोमर पाया।
मापा कि ये उत्साहित अवस्थाएं 2 नैनोसेकंड से भी कम समय में गायब हो जाती हैं।
पुष्टि की कि एकल कण और युग्मित नर्तकों (paired dancers) के मॉडल उनके अधिकांश अवलोकनों की व्याख्या कर सकते हैं।

शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि उन्होंने इस विशिष्ट नाभिक को समझने में एक बड़ी छलांग लगाई है, लेकिन "डांस फ्लोर" जटिल है, और उन पॉजिटिव-पैरिटी अवस्थाओं (डांस फ्लोर के दूसरे हिस्से) को पूरी तरह से समझने के लिए अधिक हाई-रिज़ॉल्यूशन माप की आवश्यकता है जिन्हें वर्तमान मॉडल पूरी तरह से नहीं समझा सके।

तकनीकी सारांश: $^{150}\text{Pm}$ में निम्न स्तर के उत्तेजन (Low Lying Excitations)

समस्या विवरण
$A \sim 150$ संक्रमणकालीन क्षेत्र (transitional region) में विषम-विषम (odd-odd) नाभिकों की नाभिकीय संरचना, विशेष रूप से $^{150}\text{Pm}$ ( $Z=61, N=89$ ), अभी भी अल्प समझ में है, जबकि गोलाकार वाइब्रेटर से विरूपित रोटर (deformed rotor) की ओर क्वांटम शेप फेज ट्रांजिशन (QPT) में इसका महत्व अत्यधिक है। यह नाभिक $X(5)$ समरूपता के बीच स्थित है, जो कि इसके सम-सम (even-even) पड़ोसियों $^{150}\text{Nd}$ और $^{152}\text{Sm}$ द्वारा प्रदर्शित की जाती है। $^{150}\text{Pm}$ के मौजूदा प्रयोगात्मक डेटा अत्यंत सीमित हैं, जिसमें ग्राउंड स्टेट स्पिन-पैरिटी ( $J^\pi$ ) के संबंध में परस्पर विरोधी रिपोर्टें मौजूद हैं। जबकि कुछ अध्ययन $\beta$ -क्षय तीव्रता मापों के आधार पर $1^-$ ग्राउंड स्टेट का सुझाव देते हैं, अन्य $(^3\text{He}, t)$ अभिक्रिया डेटा के आधार पर $2^-$ ग्राउंड स्टेट का प्रस्ताव करते हैं, जो अक्सर पास के $1^-$ स्तर की अनुपस्थिति को मानकर किया जाता है। इसके अतिरिक्त, निम्न-स्तर के आइसोमर्स (isomers) का अस्तित्व और प्रकृति, जो धीमी न्यूट्रॉन कैप्चर प्रक्रिया के माध्यम से नाभिकीय संश्लेषण (nucleosynthesis) को प्रभावित कर सकते हैं, और इस विषम-विषम प्रणाली में बैंड संरचनाओं का विकास स्पष्टीकरण की मांग करता है। डेटा की कमी का कारण स्थिर लक्ष्यों (stable targets) के माध्यम से इन अवस्थाओं को पॉपुलेट करने में कठिनाई और उपयुक्त $\beta$ -क्षय मार्गों का अभाव है।

कार्यप्रणाली (Methodology)
इस अध्ययन में वेरिएबल एनर्जी साइक्लोट्रॉन सेंटर (VECC), कोलकाता में प्रोटॉन-प्रेरित अभिक्रिया $^{150}\text{Nd}(p,n)^{150}\text{Pm}$ का उपयोग किया गया। एक अत्यधिक समृद्ध ( $97.65\%$ ) $^{150}\text{Nd}$ लक्ष्य को 8 MeV और 9 MeV की दो ऊर्जाओं पर प्रोटॉन बीम के साथ विकिरणित किया गया। क्षय $\gamma$ -किरणों का पता लगाने के लिए इंडियन नेशनल गामा एरे (INGA) का उपयोग किया गया, जिसमें पांच BGO-सप्रेस्ड क्लोवर HPGe डिटेक्टर और एक सेगमेंटेड प्लानर जर्मेनियम डिटेक्टर (LEPS) शामिल है।

डेटा विश्लेषण में शामिल था:

उत्तेजन फलन विश्लेषण (Excitation Function Analysis): $^{150}\text{Pm}$ के संक्रमणों को संदूषक $^{149}\text{Pm}$ से अलग करने के लिए 8 MeV और 9 MeV पर सिंगल्स $\gamma$ -रे यील्ड की तुलना करना, जिसमें $^{149}\text{Pm}$ की 211 keV रेखा के आधार पर एक नॉर्मलाइजेशन फैक्टर का उपयोग किया गया।
संयोग विश्लेषण (Coincidence Analysis): स्तर योजनाओं (level schemes) को स्थापित करने और नए संक्रमणों को स्थान देने के लिए सिमेट्रिक (Clover-Clover) और एसिमेट्रिक (Clover-LEPS) $\gamma-\gamma$ मैट्रिसेस का निर्माण करना।
तीव्रता मापन (Intensity Measurements): $\gamma-\gamma$ मैट्रिक्स के टोटल और गेटेड प्रोजेक्शन का उपयोग करके सापेक्ष तीव्रता का निर्धारण करना।
स्पिन-पैरिटी असाइनमेंट (Spin-Parity Assignment): कोएफिशिएंट्स ( $a_2$ ) निकालने और मल्टीपोलैरिटी का अनुमान लगाने के लिए सीमित कोणीय वितरण विश्लेषण (86.5°, 93.5°, और 125° पर डिटेक्टरों का उपयोग करके) का प्रयोग करना।
लाइफटाइम विश्लेषण (Lifetime Analysis): नैनोसेकंड रेंज में Ge डिटेक्टरों का उपयोग करते हुए, जेनेरालाइज्ड सेंट्रॉइड डिफरेंस (GCD) तकनीक के माध्यम से दो उत्तेजित स्तरों के लाइफटाइम का अनुमान लगाना, जिसे $^{149}\text{Pm}$ और $^{150}\text{Sm}$ के ज्ञात लाइफटाइमों के विरुद्ध कैलिब्रेट किया गया।
सैद्धांतिक मॉडलिंग (Theoretical Modeling): ग्राउंड स्टेट गुणों को सीमित करने के लिए $^{132}\text{Sn}$ इनर्ट कोर के साथ NuShellX@MSU का उपयोग करके लार्ज बेसिस स्फेरिकल शेल मॉडल (LBSM) गणनाएं की गईं। इसके अतिरिक्त, बैंड संरचनाओं और क्वासिपार्टिकल कॉन्फ़िगरेशन की व्याख्या करने के लिए विरूपित मीन फील्ड (deformed mean field) का उपयोग करके प्रोजेक्टेड शेल मॉडल (PSM) गणनाएं की गईं।

प्रमुख योगदान और परिणाम

लेवल स्कीम निर्माण: अध्ययन ने $^{150}\text{Pm}$ की लेवल स्कीम में 16 नए $\gamma$ -किरणों और 15 नए ऊर्जा स्तरों की पहचान की और उन्हें स्थापित किया। तीन पहले से ज्ञात $\gamma$ -किरणों (76.6, 159.2, और 229.5 keV) को स्कीम के भीतर पुनर्गठित किया गया।
ग्राउंड स्टेट असाइनमेंट: कोणीय वितरण डेटा, शेल मॉडल भविष्यवाणियों और फेनोमेनोलॉजिकल तर्कों के आधार पर, $^{150}\text{Pm}$ के ग्राउंड स्टेट को $1^-$ स्पिन-पैरिटी असाइन किया गया है। लगभग 50 keV (विशेष रूप से शेल मॉडल गणनाओं में 31 keV) पर एक निकटवर्ती $2^-$ अवस्था प्रस्तावित है, जो पिछले विरोधाभासी असाइनमेंटों की व्याख्या कर सकती है।
आइसोमेरिक अवस्था (Isomeric State): एक निम्न-स्तर की $6^-$ आइसोमेरिक अवस्था की पहचान की गई। स्तरों के दूसरे समूह (जिसमें 177.2+X, 336.4+X, और 454.8+X keV शामिल हैं) को अस्थायी रूप से इस आइसोमेरिक अवस्था पर रखा गया है, जो ग्राउंड स्टेट बैंड से भिन्न है।
बैंड संरचनाएं (Band Structures): डेटा उभरती हुई बैंड जैसी संरचनाओं को प्रकट करता है। नेगेटिव पैरिटी बैंड (B1, B2, B3) और पॉजिटिव पैरिटी बैंड (B4, B5) प्रस्तावित किए गए। बैंड B1 को यरेस्ट (yrast) अनुक्रम के रूप में पहचाना गया है।
लाइफटाइम मापन: GCD तकनीक का उपयोग करके 128.3 keV और 177.2+X keV स्तरों के लाइफटाइम को 2 ns से कम अनुमानित किया गया।
सैद्धांतिक व्याख्या:
- शेल मॉडल: LBSM गणना ने $1^-$ ग्राउंड स्टेट और निम्न-स्तर के नेगेटिव पैरिटी अवस्थाओं के लिए प्रमुख प्रोटॉन-न्यूट्रॉन कॉन्फ़िगरेशन ( $\pi g_{7/2} \otimes \nu f_{7/2}$ ) को सफलतापूर्वक पुनरुत्पादित किया। हालांकि, इसने प्रेक्षित स्तर घनत्व की तुलना में कम स्तर घनत्व की भविष्यवाणी की और निम्न-ऊर्जा पॉजिटिव पैरिटी अवस्थाओं की भविष्यवाणी करने में विफल रहा, जो संभवतः मॉडल स्पेस ट्रंकेशन के कारण है।
- प्रोजेक्टेड शेल मॉडल: विरूपण ( $\epsilon \approx 0.208$ ) को शामिल करने वाली PSM गणनाओं ने रोटेशनल बैंड संरचनाओं और क्वासिपार्टिकल कॉन्फ़िगरेशन का उचित वर्णन प्रदान किया, जो देखे गए अनुक्रमों को क्वासिपार्टिकल बैंड के रूप में व्याख्या करने का समर्थन करता है।

महत्व
यह शोध दावा करता है कि यह कार्य $^{150}\text{Pm}$ के लिए अब तक का सबसे व्यापक निम्न-स्तरीय लेवल स्कीम प्रदान करता है, जो $1^-$ असाइनमेंट की पुष्टि करके ग्राउंड स्टेट स्पिन-पैरिटी संबंधी अस्पष्टताओं को हल करता है। एक निम्न-स्तर की $6^-$ आइसोमर की पहचान और उभरती हुई बैंड संरचनाओं का लक्षण वर्णन, विषम-विषम नाभिकों में सिंगल-पार्टिकल उत्तेजना और सामूहिक रोटेशनल व्यवहार के बीच अंतर्संबंधों के बारे में महत्वपूर्ण अंतर्दृष्टि प्रदान करता है। ये परिणाम $N=90$ शेप ट्रांजिशन के पास के द्रव्यमान क्षेत्र में क्रिटिकल पॉइंट सिमेट्री को समझने के लिए एक बेंचमार्क के रूप में कार्य करते हैं और हाइलाइट करते हैं कि इन संक्रमणकालीन नाभिकों की संरचना को पूरी तरह से मैप करने के लिए उच्च-रिज़ॉल्यूशन स्पेक्ट्रोस्कोपी आवश्यक है। लेखक नोट करते हैं कि हालांकि वर्तमान डेटा प्रस्तावित असाइनमेंटों का समर्थन करता है, फिर भी निश्चित स्पिन-पैरिटी असाइनमेंट के लिए कोणीय वितरण और पोलराइजेशन क्षमताओं वाले भविष्य के फ्यूजन-इवेपोरेशन या ट्रांसफर रिएक्शन वाले मापन की आवश्यकता है।