Low-energy collective structure of $^{92,94}$Zr and $^{94}$Mo from ($e,e^{\prime}$) and ($p,p^{\prime}$) scattering I. Experimental results

प्रत्येक परमाणु के हृदय के भीतर, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन केवल स्थिर नहीं बैठे होते; वे एक जटिल, सामूहिक लय में चलते हैं। जबकि हम अक्सर इन कणों को व्यक्तिगत बिंदुओं के रूप में देखते हैं, कई परमाणु नाभिकों में वे एक तरल की तरह व्यवहार करते हैं, जो विशिष्ट पैटर्न में एक साथ झूमते हैं। भौतिकविदों ने लंबे समय से समझा है कि ये झूमने वाली गतियाँ दो मुख्य प्रकारों में आती हैं। सबसे आम प्रकार में, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन पूर्ण सामंजस्य में चलते हैं, जैसे कि एक ही लय में मार्च करने वाली एक एकीकृत भीड़। इसे एक पूर्णतः सममित अवस्था (fully symmetric state) के रूप में जाना जाता है। हालाँकि, एक अधिक सूक्ष्म, मायावी पैटर्न भी है जहाँ प्रोटॉन और न्यूट्रॉन एक-दूसरे के विरुद्ध चलते हैं, जैसे कि रस्साकशी में शामिल दो समूह जो अभी भी एक ही टीम का हिस्सा हैं। इसे एक मिश्रित-सममिति अवस्था (mixed-symmetry state) कहा जाता है। इन मिश्रित-सममिति अवस्थाओं को खोजना और पुष्टि करना महत्वपूर्ण है क्योंकि वे उस विशिष्ट बल के स्वभाव को प्रकट करते हैं जो परमाणु नाभिक को एक साथ बांधता है, जो इस बात के लिए एक संवेदनशील परीक्षण के रूप में कार्य करता है कि हमारे सबसे मौलिक स्तर पर पदार्थ कैसे निर्मित होता है।

इन छिपे हुए पैटर्न की एक झलक पाने के लिए, शोधकर्ताओं की एक टीम ने विशिष्ट परमाणु नाभिकों के एक समूह की ओर ध्यान आकर्षित किया: जिरकोनियम-92, जिरकोनियम-94, मोलिब्डेनम-94, मोलिब्डेनम-96, और जिंक-70। ये यादृच्छिक चुनाव नहीं हैं; ये वे नाभिक हैं जो उन स्थिर "बंद कोशों" (closed shells) के ठीक बाहर स्थित हैं जहाँ प्रोटॉन और न्यूट्रॉन आमतौर पर खुद को सलीके से पैक करते हैं, जिससे वे इन सामूहिक गतिविधियों का अध्ययन करने के लिए आदर्श प्रयोगशाला बन जाते हैं। वैज्ञानिकों ने इन नाभिकों को केवल एक उपकरण से नहीं देखा। इसके बजाय, उन्होंने उन पर दो अलग-अलग प्रकार के प्रक्षेपों (projectiles) को दागा: उच्च-गति वाले इलेक्ट्रॉन और उच्च-गति वाले प्रोटॉन। इलेक्ट्रॉन, हल्के और विद्युत आवेशित होने के कारण, मुख्य रूप से विद्युत बल के माध्यम से नाभिक के साथ परस्पर क्रिया करते हैं, जिससे प्रोटॉन की गति की एक स्पष्ट तस्वीर मिलती है। प्रोटॉन, भारी होने और प्रबल नाभिकीय बल के माध्यम से परस्पर क्रिया करने के कारण, एक अलग दृश्य प्रदान करते हैं जिसमें न्यूट्रॉन की गति भी शामिल होती है। इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन के इन दो बहुत अलग प्रयोगों के परिणामों की तुलना करके, शोधकर्ता प्रोटॉन की गति को न्यूट्रॉन की गति से अलग कर सके, जिससे प्रभावी रूप से नाभिक के दोनों पक्षों को अलग-अलग आवाजों में सुनना संभव हो गया।

ये प्रयोग जर्मनी और दक्षिण अफ्रीका में विशेष सुविधाओं में आयोजित किए गए थे। टीम ने लक्षित नाभिकों की पतली धातु की पटलियों (foils) पर इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन की बीमों से बमबारी की, और सावधानीपूर्वक उन कोणों को मापा जिस पर कणों ने नाभिक से टकराने के बाद बिखराव (scatter) किया। जब कोई कण टकराकर वापस उछलता है, तो उसके उछलने का कोण नाभिक के भीतर होने वाले कंपन के आकार और प्रकृति पर निर्भर करता है। शोधकर्ताओं ने विशाल मात्रा में डेटा एकत्र किया, यह मानचित्रण करते हुए कि विभिन्न नाभिकों के दर्जनों उत्तेजित अवस्थाओं (excited states) के लिए कण कितनी बार अलग-अलग कोणों पर बिखरे। फिर उन्होंने वास्तविक दुनिया के बिखराव पैटर्न की तुलना सैद्धांतिक गणनाओं के विरुद्ध की, जो यह भविष्यवाणी करती थीं कि एक नाभिक विशिष्ट तरीके से कंपन करेगा यदि वह वास्तव में वैसा ही कर रहा हो। इस तुलना ने उन्हें प्रत्येक उत्तेजित अवस्था को एक "स्पिन" (spin) और "पैरिटी" (parity) प्रदान करने की अनुमति दी, जो अनिवार्य रूप से कंपन के प्रकार के वर्णन करने वाले लेबल हैं।

परिणामों ने इन नाभिकों की निम्न-ऊर्जा संरचना का एक विस्तृत मानचित्र प्रदान किया। टीम ने सफलतापूर्वक कई अवस्थाओं की पहचान की जो पहले से ज्ञात थीं, यह पुष्टि करते हुए कि वे पूर्णतः सममित कंपन हैं जहाँ प्रोटॉन और न्यूट्रॉन एक साथ चलते हैं। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि उन्होंने मायावी मिश्रित-सममिति अवस्थाओं के संभावित उम्मीदवारों की पहचान की और उनकी पुष्टि के लिए आवश्यक प्रायोगिक डेटा प्रदान किया। उदाहरण के लिए, जिरकोनियम-94 के नाभिक में, उन्होंने एक विशिष्ट उत्तेजित अवस्था की पहचान की जो एक मिश्रित-सममिति अवस्था के लिए एक उम्मीदवार है, यह नोट करते हुए कि यह प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के कंपन में योगदान के बीच एक स्पष्ट अंतर दिखाती है। इसी प्रकार, मोलिब्डेनम-94 में, उन्होंने एक ऐसी अवस्था को चिन्हित किया जिसे मिश्रित-सममिति अवस्था होने का संदेह था, और उनके नए डेटा ने कि प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉन कैसे बिखरते हैं, उस पहचान का समर्थन किया। अध्ययन ने उच्च-ऊर्जा कंपनों को भी देखा, जैसे कि ऑक्टुपोल (octupole) आकृतियों से जुड़े कंपन, जो साधारण कुचलने और खींचने की तुलना में अधिक जटिल हैं, और इनके भी सममित और संभावित रूप से मिश्रित-सममिति संस्करणों के प्रमाण पाए।

यह कार्य विशेष रूप से महत्वपूर्ण है कि इन अवस्थाओं की पुष्टि के लिए डेटा एकत्र करने की विधि क्या थी। केवल इस बात पर निर्भर रहने के बजाय कि नाभिक कैसे क्षय (decay) होता है या प्रकाश उत्सर्जित करता है, जो कभी-कभी संदिग्ध हो सकता है, शोधकर्ताओं ने संक्रमण घनत्व (transition densities) को देखने के लिए इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन के प्रत्यक्ष तुलना का उपयोग किया। यह एक माप है कि कंपन के दौरान प्रोटॉन और न्यूट्रॉन का वितरण कैसे बदलता है। एक पूर्णतः सममित अवस्था में, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन अपने वितरण को एक ही तरह से बदलते हैं। एक मिश्रित-सममिति अवस्था में, वे विपरीत दिशाओं में बदलते हैं। यह दिखाकर कि प्रायोगिक डेटा इन विपरीत गतिविधियों की भविष्यवाणियों के अनुकूल है, टीम ने इन अवस्थाओं की पहचान के लिए एक नया और मजबूत संकेत स्थापित किया। यह दृष्टिकोण इन नाभिकों में कुछ प्रकार के कंपनों के अस्तित्व के बारे में लंबे समय से चल रही बहसों को सुलझाने में मदद करता है, विशेष रूप से वे जिनमें उच्च स्पिन शामिल हैं जिन्हें वर्गीकृत करना कठिन था, जिसका पूर्ण विश्लेषण और अंतिम पहचान एक साथी शोध पत्र में प्रस्तुत की गई है।

अध्ययन ने केवल वही पुष्ट नहीं किया जो पहले से ज्ञात था; इसने अनिश्चितताओं को भी स्पष्ट किया। कुछ मामलों में, जहाँ पिछले प्रयोगों ने सुझाव दिया था कि एक अवस्था विभिन्न प्रकार की अवस्थाओं का मिश्रण हो सकती है, नए डेटा ने एक स्पष्ट असाइनमेंट की अनुमति दी। उदाहरण के लिए, जिंक-70 में, टीम ने 3044 keV के पास अवस्थाओं के एक युग्म (doublet) की जांच की; जबकि अन्य प्रयोगों ने एक 5- अवस्था की पहचान की थी, नया कोणीय वितरण डेटा एक 2+ और एक 5- के युग्म को मानने पर सबसे अच्छा वर्णित हुआ, हालांकि कुछ ओवरलैपिंग क्षेत्रों में व्यक्तिगत घटकों के लिए निश्चित स्पिन असाइनमेंट चुनौतीपूर्ण बने रहे। उन्होंने यह भी पाया कि मोलिब्डेनम-96 जैसे कुछ भारी नाभिकों में, ऊर्जा स्तर इतने घने हैं कि व्यक्तिगत अवस्थाओं को अलग करना कठिन है, फिर भी वे प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के सामूहिक व्यवहार के बारे में सार्थक जानकारी निकालने में सक्षम थे। यह कार्य एक आधारभूत कदम के रूप में कार्य करता है, जो अधिक जटिल सैद्धांतिक मॉडलों के परीक्षण के लिए आवश्यक प्रायोगिक डेटा प्रदान करता है। इन नाभिकों के कंपन की एक स्पष्ट तस्वीर स्थापित करके, यह शोध परमाणु बल और प्रोटॉन एवं न्यूट्रॉन के उस जटिल नृत्य की हमारी समझ को गहरा करता है जो ब्रह्मांड के पदार्थ को थामे रखता है।