Precision $\beta$-delayed charged-particle emission spectroscopy at FRIB: Proof of principle with the $\beta$-decay of $^{25}\mathrm{Si}$

ब्रह्मांड के केंद्र में उन बलों के बीच एक मौलिक तनाव है जो परमाणु नाभिकों को एक साथ थामे रखते हैं और उन बलों के बीच जो उन्हें फाड़ने की कोशिश करते हैं। हमारे संसार को बनाने वाले स्थिर परमाणुओं में, ये बल एक नाजुक संतुलन में होते हैं। हालाँकि, जब वैज्ञानिक प्रयोगशाला में इन परमाणुओं के अस्थिर, प्रोटॉन-समृद्ध संस्करण बनाते हैं, तो वे अक्सर पाते हैं कि नाभिक इतना उत्सुक होता है कि वह न्यूट्रॉन के प्रोटॉन में बदलने के तुरंत बाद कणों को बाहर निकाल देता है। यह प्रक्रिया, जिसे बीटा-विलंबित कण उत्सर्जन (beta-delayed particle emission) कहा जाता है, एक संवेदनशील प्रोब के रूप में कार्य करती है, जो नाभिक की छिपी हुई वास्तुकला और चरम स्थितियों के तहत पदार्थ के निर्माण खंड स्वयं को कैसे व्यवस्थित करते हैं, इसका खुलासा करती है। इन क्षणभंगुर क्षणों को समझना अस्तित्व के परमाणु सीमाओं का मानचित्र बनाने और उन सिद्धांतों का परीक्षण करने के लिए महत्वपूर्ण है जो बताते हैं कि तारों में तत्वों को कैसे गढ़ा गया था। फिर भी, इन घटनाओं को सूक्ष्म विवरणों को देखने के स्पष्टता के साथ देखना लंबे समय से एक चुनौती रहा है, जो अक्सर उन उपकरणों द्वारा धुंधला हो जाता है जिनका उपयोग उन्हें पकड़ने के लिए किया जाता है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक नए तरीके का प्रदर्शन किया है जिससे वे इन क्षणभंगुर परमाणु घटनाओं को अभूतपूर्व स्पष्टता के साथ पकड़ सकते हैं, जिसमें मिशिगन में स्थित एक सुविधा का उपयोग किया गया है जो दुर्लभ समस्थानिकों (isotopes) को बनाने के लिए डिज़ाइन की गई है। सिलिकॉन-25 नामक एक विशिष्ट अस्थिर परमाणु पर ध्यान केंद्रित करके, वैज्ञानिक इसके क्षय (decay) को उस सटीकता के साथ पुनर्गठित करने में सक्षम हुए जो पहले कभी प्राप्त नहीं की गई थी। उन्होंने केवल यह नहीं देखा कि परमाणु टूट गया; उन्होंने सटीक रूप से मानचित्रित किया कि वह कैसे टूटा, उन नए मार्गों की पहचान की जिनसे नाभिक ने ऊर्जा मुक्त करने के लिए रास्ता बनाया और उन विशिष्ट आकृतियों और स्पिन (spin) की पुष्टि की जिनसे वह स्थिरता की ओर बढ़ने के दौरान गुजरा। यह कार्य एक 'प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट' के रूप में कार्य करता है, जो यह सिद्ध करता है कि फैसिलिटी फॉर रेयर आइसोटोप बीम्स (Facility for Rare Isotope Beams) में मौजूद नया बुनियादी ढांचा पदार्थ के सबसे विलक्षण रूपों का अध्ययन करने के लिए आवश्यक उच्च-गुणवत्ता वाला डेटा प्रदान कर सकता है।

प्रयोग की शुरुआत आर्गन परमाणुओं की एक बीम के साथ हुई, जिन्हें एक लक्ष्य (target) से टकराकर विभिन्न दुर्लभ समस्थानिकों का एक मिश्रण बनाया गया, जिसमें सिलिकॉन-25 भी शामिल था जिसका अध्ययन टीम करना चाहती थी। इस बीम को फिर एक विशेष प्रणाली का उपयोग करके धीमा किया गया और शुद्ध किया गया जो परमाणुओं को ठंडा करती है और उन्हें एक पतली कार्बन फॉयल में रोक देती है, जिससे वे प्रभावी रूप से एक छोटे, स्वच्छ स्थान में फंस जाते हैं। इस फॉयल के चारों ओर सिलिकॉन डिटेक्टरों का एक सघन समूह (array) था, जो एक घन के फलकों की तरह व्यवस्थित था, जिसे उन आवेशित कणों को पकड़ने के लिए डिज़ाइन किया गया था जो सिलिकॉन परमाणुओं के क्षय होने पर बाहर निकलते हैं। दो बड़े जर्मेनियम डिटेक्टर पास में खड़े थे ताकि वे गामा किरणों (ऊर्जावान प्रकाश का एक रूप) को पकड़ सकें, जो उत्सर्जित भी होती हैं। लक्ष्य एक ऐसा सेटअप बनाना था जहाँ क्षय का स्रोत इतना पतला हो और डिटेक्टर इतने सटीक हों कि निकलने वाले प्रत्येक कण की ऊर्जा को उन धुंधले प्रभावों के बिना मापा जा सके जो आमतौर पर ऐसे प्रयोगों में बाधा डालते हैं।

चार घंटों के दौरान, टीम ने लाखों क्षय घटनाओं को रिकॉर्ड किया। जैसे ही सिलिकॉन-25 परमाणु क्षय हुए, वे एल्युमीनियम-25 में बदल गए, जिसने फिर तुरंत प्रोटॉन त्याग दिए ताकि वे मैग्नीशियम-24 बन सकें। सिलिकॉन डिटेक्टरों ने एक उच्च-रिज़ॉल्यूशन कैमरे की तरह कार्य किया, जिसने प्रोटॉन की गति और दिशा को कैप्चर किया। क्योंकि डिटेक्टर बहुत बारीक रूप से खंडित (segmented) थे, शोधकर्ता उन प्रोटॉनों के बीच अंतर कर सके जो डिटेक्टर की पहली परत में रुके और उन प्रोटॉनों के बीच जो दूसरी परत में घुस गए। इसने उन्हें प्रोटॉनों की मूल ऊर्जा को उल्लेखनीय सटीकता के साथ पुनर्गठित करने की अनुमति दी, जिससे कार्बन फॉयल और डिटेक्टर सामग्रियों से गुजरते समय ऊर्जा के सूक्ष्म नुकसान को सुधारा जा सका। परिणाम स्वरूप, ऊर्जा स्तरों का एक स्पष्ट, तीक्ष्ण चित्र प्राप्त हुआ, जिसने उन विशेषताओं को उजागर किया जिन्हें पिछले प्रयोगों ने या तो मिस कर दिया था या भ्रमित कर दिया था।

डेटा ने शोधकर्ताओं को सिलिकॉन-25 के क्षय मानचित्र को अपडेट करने की अनुमति दी, जिससे पहले कभी न देखे गए नए उच्च-ऊर्जा प्रोटॉन संक्रमणों (transitions) की पहचान हुई। वे डेटा में उन चोटियों (peaks) को हल करने में सक्षम रहे जो पहले आपस में मिल गई थीं, और उन्हें अलग-अलग घटनाओं में विभाजित किया। इस स्पष्टता ने उन्हें एल्युमीनियम-25 नाभिक के अत्यधिक उत्तेजित अवस्थाओं को विशिष्ट गुण, जैसे कि स्पिन और पैरिटी (parity), प्रदान करने में सक्षम बनाया। इस संदर्भ में स्पिन नाभिक के आंतरिक कोणीय संवेग को संदर्भित करता है, जो एक क्वांटम गुण है जो यह निर्धारित करता है कि वह कैसे व्यवहार करता है, जबकि पैरिटी उसकी समरूपता (symmetry) का वर्णन करती है। प्रोटॉनों के एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप को देखकर, टीम इन गुणों को उन अवस्थाओं के लिए दृढ़ता से सौंप सकी जो पहले अनिश्चित थे। उन्होंने यह भी पाया कि प्रोटॉन उत्सर्जन की तीव्रता इस तरह से भिन्न थी जो सुझाव देती है कि नाभिक पूर्णतः गोलाकार होने के बजाय विकृत (deformed) या खिंचा हुआ है, और इन विकृतियों ने यह प्रभावित किया कि क्षय किस पथ का अनुसरण करेगा।

सबसे महत्वपूर्ण परिणामों में से एक बीटा क्षय की कुल शक्ति को मापने की क्षमता थी, जो वैज्ञानिकों को यह बताता है कि विभिन्न ऊर्जा स्तरों पर परिवर्तन होने की कितनी संभावना है। शोधकर्ताओं ने अपने प्रयोगात्मक परिणामों की तुलना 'शेल मॉडल' पर आधारित बड़े पैमाने के कंप्यूटर सिमुलेशन से की, जो एक सिद्धांत है कि कैसे प्रोटॉन और न्यूट्रॉन नाभिक के भीतर ऊर्जा स्तरों को भरते हैं। उन्होंने पाया कि प्रयोगात्मक डेटा सिद्धांत के साथ अच्छी तरह से मेल खाता है, लेकिन केवल तभी जब सैद्धांतिक भविष्यवाणियों को एक विशिष्ट कारक द्वारा समायोजित किया जाए। यह समायोजन, जिसे 'क्वेंचिंग' (quenching) कहा जाता है, इस तथ्य की व्याख्या करता है कि वास्तविक नाभिक सरल मॉडल के सुझाव की तुलना में थोड़ा अधिक जटिल है। टीम ने नोट किया कि इस प्रोटॉन-समृद्ध नाभिक के लिए आवश्यक क्वेंचिंग की मात्रा आमतौर पर स्थिर नाभिकों में देखी जाने वाली मात्रा से थोड़ी भिन्न है, जो संकेत देती है कि इन विलक्षण परमाणुओं का व्यवहार अस्तित्व के किनारे के करीब पहुँचने पर बदल सकता है।

इस अध्ययन ने सिलिकॉन-25 के क्षय के बारे में कई लंबे समय से चले आ रहे प्रश्नोंों को भी स्पष्ट किया। शोधकर्ताओं ने कुछ क्षय मार्गों के अस्तित्व को खारिज कर दिया जो पिछले कार्यों में सुझाए गए थे, यह दिखाते हुए कि कुछ चोटियाँ जिन्हें पहले विशिष्ट उच्च-ऊर्जा अवस्थाओं से संबंधित माना जाता था, वास्तव में अलग-अलग, निम्न-ऊर्जा संक्रमणों के कारण थीं। उन्होंने पुष्टि की कि नाभिक इस क्षय प्रक्रिया में अल्फा कण (हीलियम नाभिक का एक प्रकार) उत्सर्जित नहीं करता है, और उन्होंने कुछ दुर्लभ संक्रमणों के होने की दर पर सख्त सीमाएं निर्धारित कीं। गामा किरणों के साथ मौजूदा जानकारी को नए प्रोटॉन डेटा के साथ जोड़कर, उन्होंने एक व्यापक क्षय योजना (decay scheme) तैयार की जो भविष्य के प्रयोगों के लिए एक विश्वसनीय संदर्भ के रूप में कार्य करती है। यह योजना एक अंशांकन मानक (calibration standard) के रूप में कार्य करती है, जिससे अन्य वैज्ञानिक अपने स्वयं के डिटेक्टरों और सेटअप की सटीकता की जांच करने के लिए सिलिकॉन-25 का उपयोग कर सकते हैं।

अंततः, यह कार्य प्रदर्शित करता है कि उन्नत बीम शुद्धिकरण और अत्यधिक विस्तृत (granular) डिटेक्टरों का संयोजन परमाणु भौतिकी में सटीकता के एक नए स्तर को खोल सकता है। दुर्लभ समस्थानिकों की एक बीम को रोकने और उसके क्षय का इतने विस्तार से अध्ययन करने की क्षमता उन और भी विलक्षण नाभिकों की जांच के द्वार खोलती है जिन्हें बनाना कठिन है। सिलिकॉन-25 प्रयोग ने सिद्ध किया कि यह सुविधा बीम की अशुद्धियों और ऊर्जा रिज़ॉल्यूशन की चुनौतियों को संभाल सकती है, जो प्रोटॉन-हेलो नाभिक और पदार्थ के अन्य चरम रूपों के भविष्य के अध्ययन का मार्ग प्रशस्त करती है। एक जटिल परमाणु प्रक्रिया का स्पष्ट, उच्च-रिज़ॉल्यूशन दृश्य प्रदान करके, शोधकर्ताओं ने न केवल सिलिकॉन-25 के बारे में हमारी समझ को परिष्कृत किया है, बल्कि परमाणु जगत के अग्रिम क्षेत्रों की खोज के लिए एक शक्तिशाली नए तरीके को भी मान्य किया है।