Best Reaction Target To Determine Proton Distribution Radii of Atomic Nuclei

प्रत्येक परमाणु के हृदय के भीतर एक नाभिक होता है, जो प्रोटॉन और न्यूट्रॉन का एक सघन समूह है, जिसे शक्तिशाली बलों द्वारा थामे रखा गया है। जबकि प्रोटॉन एक धनात्मक विद्युत आवेश वहन करते हैं और न्यूट्रॉन उदासीन होते हैं, दोनों प्रकार के कण एक पूर्ण, ठोस गोले के रूप में पैक नहीं होते हैं। इसके बजाय, वे एक विशिष्ट आकार बनाते हैं, जिसे त्रिज्या (रेडियस) के रूप में जाना जाता है, जो एक धुंधले बादल की तरह होता है। स्थिर परमाणुओं के लिए, वैज्ञानिक लंबे समय से इस बादल के आकार को मापने का तरीका जानते रहे हैं। लेकिन अस्थिर, अल्पकालिक आइसोटोप के लिए, जो केवल एक क्षण के लिए अस्तित्व में रहते हैं, इन आकारों को मापना एक कठिन चुनौती बन जाता है। यह समझना कि प्रोटॉन और न्यूट्रॉन इन विलक्षण नाभिकों के केंद्र से कितनी दूर तक फैले हुए हैं, अत्यंत महत्वपूर्ण है। यह भौतिकविदों को यह समझाने में मदद करता है कि कुछ परमाणु क्यों अस्तित्व में हैं, वे न्यूट्रॉन सितारों के चरम वातावरण में कैसे व्यवहार कर सकते हैं, और क्या हमारे परमाणु पदार्थ के वर्तमान सिद्धांत सटीक हैं।

इन क्षणिक नाभिकों का आकार खोजने के लिए, शोधकर्ता अक्सर उनका एक बीम एक लक्ष्य (टारगेट) पर दागते हैं और देखते हैं कि टकराने पर क्या होता है। एक विशिष्ट प्रकार का टकराव, जहाँ बीम कण एक प्रोटॉन खो देता है या अपना विद्युत आवेश बदल लेता है, प्रोटॉन के वितरण की एक खिड़की प्रदान करता है। हालाँकि, इन टकरावों की व्याख्या करना पेचीदा रहा है। जब वैज्ञानिकों ने प्रयोगों में देखे गए परिणामों की तुलना करने के लिए मानक गणितीय मॉडलों का उपयोग किया, तो गणनाएँ वास्तव में देखे गए परिणामों की तुलना में लगातार कम रहीं। संख्याओं को मिलाने के लिए, शोधकर्ताओं को एक 'फज फैक्टर' (fudge factor) पेश करना पड़ा, जो एक स्केलिंग संख्या थी जिसने डेटा के अनुकूल होने के लिए सिद्धांत को समायोजित किया। इसने काम तो किया, लेकिन यह उन धारणाओं पर निर्भर था जो उपयोग किए गए लक्ष्य पदार्थ के आधार पर भिन्न होती थीं, जिससे प्रोटॉन त्रिज्या के अंतिम मापों पर अनिश्चितता की एक परत बन गई।

जुन-याओ जू और बाओ-हुआ सन के नेतृत्व में शोधकर्ताओं की एक टीम ने यह परीक्षण करके इस पहेली को सुलझाने का प्रयास किया कि लक्ष्य सामग्री का चयन इन मापों को कैसे प्रभावित करता है। उन्होंने चीन के लांजो में स्थित हेवी आयन रिसर्च फैसिलिटी में प्रयोगों की एक श्रृंखला आयोजित की। उन्होंने बेरिलियम लक्ष्य में ऑक्सीजन परमाणुओं की एक प्राथमिक बीम को टकराया ताकि बेरिलियम, बोरॉन, कार्बन, नाइट्रोजन और ऑक्सीजन के विभिन्न रूपों सहित अस्थिर आइसोटोप का एक छिड़काव बनाया जा सके। इन नव-निर्मित, अल्पकालिक नाभिकों को फिर चार अलग-अलग लक्ष्यों: हाइड्रोजन, कार्बन, सिल्वर और लेड (सीसा) पर दागा गया। बीम की ऊर्जा प्रति न्यूक्लियॉन लगभग 240 मिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट निर्धारित की गई थी। यह सावधानीपूर्वक गिनकर कि कितने नाभिक एक प्रोटॉन खोए बिना प्रत्येक लक्ष्य से गुजर गए बनाम कितने आवेश बदल गए, टीम ने 'चार्ज-चेंजिंग क्रॉस-सेक्शन' को मापा, जो एक ऐसा मान है जो टक्कर होने की संभावना को दर्शाता है।

टीम ने अठारह अलग-अलग नाभिकों के लिए कुल उनतालीस नए माप एकत्र किए, एक ऐसा डेटासेट जिसने उन्हें यह तुलना करने की अनुमति दी कि एक ही नाभिक हल्के लक्ष्यों बनाम भारी लक्ष्यों से टकराने पर कैसा व्यवहार करता है। उन्होंने एक स्पष्ट और व्यवस्थित पैटर्न पाया। जब अस्थिर नाभिक हाइड्रोजन या कार्बन जैसे हल्के लक्ष्यों से टकराते हैं, तो प्रयोगात्मक परिणाम सैद्धांतिक भविष्यवाणियों से काफी बड़े होते हैं, जिसके लिए दोनों के बीच सामंजस्य बिठाने के लिए एक बड़े स्केलिंग कारक की आवश्यकता होती है। जैसे-जैसे वे सिल्वर जैसे भारी लक्ष्यों की ओर बढ़ते हैं, यह अंतर कम होने लगता है। जब उन्होंने लेड का उपयोग किया, जो उपलब्ध सबसे भारी लक्ष्य था, तो प्रयोगात्मक डेटा और सैद्धांतिक गणनाएँ लगभग पूरी तरह से संरेखित हो गईं। स्केलिंग कारक, जो हल्के लक्ष्यों के लिए मॉडलों को ठीक करने के लिए आवश्यक था, घटकर एक के मान पर आ गया, जिसका अर्थ है कि किसी भी समायोजन की आवश्यकता नहीं थी।

यह अभिसरण (कन्वर्जेंस) इसलिए होता है क्योंकि लक्ष्य के आकार के साथ टकराव की प्रक्रिया बदल जाती है। हल्के लक्ष्यों के साथ टकराव में, अस्थिर नाभिक अक्सर पहले एक न्यूट्रॉन खो देता है, जिससे एक अस्थायी, अस्थिर अवशेष बच जाता है जो स्थिरता प्राप्त करने के लिए प्रोटॉन छोड़ने को उत्सुक होता है। यह अतिरिक्त चरण, जिसे 'चार्ज्ड-पार्टिकल इवपोरेशन' कहा जाता है, आवेश-परिवर्तन की घटनाओं की संख्या को कृत्रिम रूप से बढ़ा देता है, जिससे नाभिक वास्तविक आकार से बड़ा दिखाई देता है। हालाँकि, जब वही नाभिक लेड जैसे भारी लक्ष्य से टकराता है, तो परस्पर क्रिया की ज्यामिति बदल जाती है। अस्थिर नाभिक द्वारा पहले न्यूट्रॉन खोने की संभावना काफी कम हो जाती है, क्योंकि टक्कर की संभावना इस तरह से होने की अधिक होती है जो सीधे आवेश को प्रभावित करती है या एक अलग तंत्र में शामिल होती है। फलस्वरूप, हल्के लक्ष्यों पर मापों को विकृत करने वाले भ्रमित करने वाले अतिरिक्त चरण दब जाते हैं। भारी लेड नाभिक से उत्पन्न विद्युत चुम्बकीय बल भी एक भूमिका निभाते हैं, लेकिन इस तरह से जो आवेशित कणों के उत्सर्जन में मदद करने के बजाय बाधा डालता है, जिससे सिग्नल और अधिक साफ हो जाता है।

शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि अस्थिर नाभिकों के प्रोटॉन वितरण त्रिज्या को निर्धारित करने के लिए भारी लक्ष्य, विशेष रूप रूप से लेड का उपयोग करना सबसे विश्वसनीय तरीका है। लेड चुनकर, वैज्ञानिक उन अनुभवजन्य सुधारों और स्केलिंग कारकों से बच सकते हैं जिन्होंने पिछले अध्ययनों को जटिल बना दिया था। डेटा बताता है कि भारी लक्ष्य स्वाभाविक रूप से उन प्रतिक्रिया मार्गों को फ़िल्टर कर देता है जो प्रोटॉन क्लाउड के वास्तविक आकार को अस्पष्ट करते हैं। यह एक एकीकृत दृष्टिकोण प्रदान करता है: हल्के लक्ष्यों की विचित्रताओं को ठीक करने के संघर्ष के बजाय, शोधकर्ता प्रोटॉन त्रिज्या का सीधा, निर्दोष दृश्य प्राप्त करने के लिए बस लेड का उपयोग कर सकते हैं। हालाँकि टीम ने p-शेल (एक विशिष्ट समूह के हल्के तत्वों) के नाभिकों पर ध्यान केंद्रित किया, उनके निष्कर्ष एक व्यापक सिद्धांत का सुझाव देते जो अन्य आइसोटोप पर भी लागू हो सकता है। यह पुष्टि करने के लिए कि यह नियम कितनी दूर तक फैला है, स्थिरता के किनारे के और भी करीब के नाभिकों पर भविष्य के प्रयोगों की आवश्यकता होगी, लेकिन मार्ग अब अधिक स्पष्ट है। भारी लक्ष्य एक सटीक लेंस के रूप में कार्य करता है, अप्रत्यक्ष प्रतिक्रियाओं के धुंधलेपन को हटा देता है और परमाणु नाभिक के वास्तविक आकार को स्पष्ट रूप से सामने लाता है।