Low-energy collective structure of $^{92,94}$Zr and $^{94}$Mo from ($e,e^{\prime}$) and ($p,p^{\prime}$) scattering II. Signatures of mixed-symmetry states and origin of collectivity

प्रत्येक परमाणु के हृदय में एक नाभिक होता है, जो प्रोटॉन और न्यूट्रॉन का एक सघन समूह है, जो ऐसे शक्तिशाली बलों द्वारा बंधा होता है जो रोजमर्रा की सहज बुद्धि को चुनौती देते हैं। जबकि हम अक्सर इन कणों को स्थिर निर्माण खंडों के रूप में देखते हैं, वे वास्तव में निरंतर सामूहिक गति की अवस्था में होते हैं, जटिल पैटर्न में कंपन और घूमते रहते हैं। दशकों से, भौतिकविदों ने इन गतियों को नियंत्रित करने वाले नियमों को समझने की कोशिश की है, विशेष रूप से 'वाइब्रेशनल न्यूक्लिआई' (कंपनशील नाभिक) नामक परमाणुओं के एक वर्ग में, जहाँ पूरा केंद्र एक श्वास लेती हुई गोलाकार आकृति की तरह फैलता और सिकुड़ता है। इन गतियों में सबसे दिलचस्प अवस्थाएं वे हैं जहाँ प्रोटॉन और न्यूट्रॉन एक-दूसरे के विपरीत दिशा में चलते हैं, जिसे 'मिक्स्ड-सिमेट्री स्टेट' (मिश्रित-सममिति अवस्था) कहा जाता है। इन अवस्थाओं की पहचान करना महत्वपूर्ण है क्योंकि वे यह समझने के लिए मौलिक निर्माण खंडों के रूप में कार्य करती हैं कि परमाणु नाभिक स्वयं को कैसे व्यवस्थित करते हैं, फिर भी उन्हें पहचानना बहुत कठिन है क्योंकि वे अक्सर अन्य, अधिक सामान्य कंपनों के बीच छिपे रहते हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब तीन विशिष्ट परमाणुओं—जिरकोनियम-92, जिरकोनियम-94 और मोलिब्डेनम-94—पर एक नया दृष्टिकोण अपनाया है ताकि इन मायावी मिश्रित-सममिति अवस्थाओं को पहचानने का एक नया तरीका खोजा जा सके। केवल इन अवस्थाओं द्वारा चुंबकीय विकिरण उत्सर्जित करने की शक्ति को मापने की पारंपरिक विधि पर निर्भर रहने के बजाय, वैज्ञानिकों ने दो अलग-अलग प्रकार के कण टकरावों के डेटा को जोड़ा: नाभिकों पर इलेक्ट्रॉन दागना और उन पर प्रोटॉन दागना। विभिन्न प्रकार के प्रक्षेपकों (projectiles) के प्रति नाभिकों की प्रतिक्रिया का विश्लेषण करके, टीम मिश्रित-सममिति अवस्थाओं की आंतरिक संरचना को अभूतपूर्व स्पष्टता के साथ मानचित्रित करने में सक्षम रही। उनका कार्य पुष्टि करता है कि इन परमाणुओं में ये मिश्रित-सममिति अवस्थाएं मौजूद हैं और यह प्रकट करता है कि उनका अद्वितीय चरित्र इस बात से परिभाषित होता है कि प्रोटॉन और न्यूट्रॉन एक-दूसरे के सापेक्ष कैसे चलते हैं। यह खोज इन अवस्थाओं को पहचानने के लिए एक नया, विश्वसनीय संकेत प्रदान करती है, जबकि यह उन्हें पहचानने के बारे में पिछली धारणाओं को चुनौती देती है और उनकी शक्ति के छिपे हुए स्रोतों पर प्रकाश डालती है।

इन शोधकर्ताओं द्वारा क्या खोजा जा रहा था, इसे समझने के लिए, व्यक्ति को पहले परमाणु नाभिकीय कंपनों की बुनियादी प्रकृति को समझना होगा। एक पूर्णतः सममित कंपन में, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन पूर्ण सामंजस्य में चलते हैं, जैसे एक गायक दल एक ही स्वर में सामंजस्य के साथ गा रहा हो। इसे एक पूर्णतः सममित अवस्था (fully symmetric state) कहा जाता है। हालाँकि, प्रकृति अक्सर एक अधिक जटिल व्यवस्था की अनुमति देती है जहाँ प्रोटॉन और न्यूट्रॉन विपरीत दिशाओं में चलते हैं, जो दो समूहों के समान है जो अलग-अलग स्वर गा रहे हैं जो थोड़ा टकराते हैं। यही मिश्रित-सममिति अवस्था है। लंबे समय तक, इन अवस्थाओं को खोजने का प्राथमिक तरीका एक मजबूत चुंबकीय संक्रमण (magnetic transition) की तलाश करना था, जो ऊर्जा का एक विशिष्ट प्रकार का उत्सर्जन है जो तब होता है जब एक मिश्रित-सममिति अवस्था एक पूर्णतः सममित अवस्था के साथ परस्पर क्रिया करती है। जबकि यह विधि अतीत में काम करती रही है, यह भ्रमित करने वाली हो सकती है क्योंकि अन्य, गैर-सामूहिक अवस्थाएं कभी-कभी इस व्यवहार की नकल कर सकती हैं, जिससे अस्पष्टता पैदा होती है। इस अध्ययन में शोधकर्ता इन कंपनों की आंतरिक संरचना को देखने का एक अधिक सीधा तरीका खोजना चाहते थे, जो चुंबकीय संकेत की शक्ति पर निर्भर न होकर स्वयं कंपन के भौतिक आकार और विस्तार पर आधारित हो।

टीम ने तीन आइसोटोप्स पर अपना ध्यान केंद्रित किया: जिरकोनियम-92, जिरकोनियम-94 और मोलिब्डेनम-94। ये परमाणु अध्ययन के लिए आदर्श हैं क्योंकि ये "वाइब्रेशनल" हैं, जिसका अर्थ है कि उनके नाभिक तरल बूंदों की तरह व्यवहार करते हैं जो दोलन कर सकते हैं। शोधकर्ताओं ने इन नाभिकों के व्यवहार का अनुकरण करने के लिए 'क्वासिपार्टिकल-फोनोन मॉडल' नामक एक शक्तिशाली सैद्धांतिक ढांचे का उपयोग किया। इस मॉडल ने टीम को अपेक्षित ऊर्जा स्तरों, कंपनों के आकार और कणों से टकराने पर नाभिकों को कैसे प्रतिक्रिया देनी चाहिए, इसकी गणना करने की अनुमति दी। उन्होंने फिर इन गणनाओं की तुलना इलेक्ट्रॉन प्रकीर्णन (electron scattering) और प्रोटॉन प्रकीर्णन प्रयोगों के विशाल प्रायोगिक डेटा के विरुद्ध की। इलेक्ट्रॉन प्रकीर्णन में, इलेक्ट्रॉनों की एक बीम नाभिक से टकराकर वापस आती है, जो विद्युत आवेश के वितरण के बारे में विवरण प्रकट करती है। प्रोटॉन प्रकीर्णन में, प्रोटॉनों की एक बीम नाभिक से टकराती है, जो पदार्थ के वितरण के बारे में विवरण प्रकट करती है, जिसमें प्रोटॉन और न्यूट्रॉन दोनों शामिल हैं। इन दो दृष्टिकोणों को जोड़कर, टीम परमाणु कंपनों की एक पूर्ण तस्वीर को पुनर्गठित करने में सक्षम थी।

संयुक्त विश्लेषण के परिणाम चौंकाने वाले थे। शोधकर्ताओं ने पाया कि सैद्धांतिक मॉडल पूरे क्षेत्र में प्रायोगिक डेटा के साथ उल्लेखनीय रूप से मेल खाता है। इसने उत्तेजित अवस्थाओं, चुंबकीय क्षणों और विभिन्न अवस्थाओं के बीच संक्रमण की संभावनाओं के लिए ऊर्जा स्तरों की सही भविष्यवाणी की। सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि मॉडल ने प्रकीर्णन प्रयोगों में 'मोमेंटम ट्रांसफर डिपेंडेंस' (संवेग स्थानांतरण निर्भरता) का सफलतापूर्वक वर्णन किया। यह कहने का एक तकनीकी तरीका है कि कणों का प्रकीर्णन टक्कर के कोण और ऊर्जा पर एक विशिष्ट पैटर्न में निर्भर था जो सिद्धांत से मेल खाता था। इस सहमति ने टीम को विश्वास दिलाया कि उनका मॉडल नाभिकीय अवस्थाओं के 'वेव फंक्शन्स' (तरंग फलनों), या गणितीय विवरणों को सटीक रूप से पकड़ रहा है। यह विश्वास स्थापित होने के बाद, वे मिश्रित-सममिति अवस्थाओं की प्रकृति में गहराई से देख सके।

अध्ययन ने पुष्टि की कि इन तीन नाभिकों में मिश्रित-सममिति अवस्थाएं वास्तव में अग्रणी प्रोटॉन और न्यूट्रॉन विन्यासों के बीच एक संकेत परिवर्तन (sign change) द्वारा चारित्रित होती हैं। सरल शब्दों में, प्रमुख तरीका जिससे प्रोटॉन चलते हैं, वह प्रमुख तरीके से न्यूट्रॉन के चलने के विपरीत होता है। यह संकेत परिवर्तन मिश्रित-सममिति अवस्था का फिंगरप्रिंट है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस संकेत परिवर्तन का 'ट्रांजिशन डेंसिटी' (संक्रमण घनत्व) पर सीधा और मापने योग्य प्रभाव पड़ता है, जो यह बताता है कि कंपन के दौरान आवेश और पदार्थ कैसे वितरित होते हैं। विशेष रूप से, मिश्रित-सममिति अवस्था के लिए संक्रमण घनत्व का आकार पूर्णतः सममित अवस्था की तुलना में भिन्न होता है। यह अंतर बिखरे हुए प्रोटॉनों के कोणीय वितरण में एक बदलाव के रूप में प्रकट होता है। जब प्रोटॉन मिश्रित-सममिति अवस्था से टकराते हैं, तो वे पूर्णतः सममित अवस्था की तुलना में थोड़े अलग कोणों पर बिखरते हैं, भले ही टक्कर की ऊर्जा समान हो। यह एक नया, स्वतंत्र संकेत है जो वैज्ञानिकों को चुंबकीय संक्रमणों की शक्ति पर निर्भर किए बिना मिश्रित-सममिति अवस्थाओं को पहचानने की अनुमति देता है।

यह नया संकेत विशेष रूप से उपयोगी साबित हुआ क्योंकि इसने मिश्रित-सममिति अवस्थाओं को अन्य, गैर-सामूहिक अवस्थाओं से अलग करने में मदद की जिनके समान ऊर्जा हो सकती है। अतीत में, वैज्ञानिक कभी-कभी यह बताने में संघर्ष करते थे कि कोई अवस्था एक वास्तविक मिश्रित-सममिति कंपन है या केवल कणों का एक यादृच्छिक संग्रह है। प्रकीर्णन पैटर्न में बदलाव ने एक स्पष्ट अंतर प्रदान किया। उदाहरण के लिए, जिरकोनियम-92 और मोलिब्डेनम-94 में, मिश्रित-सममिति अवस्थाओं ने अन्य सभी निम्न-स्तरीय अवस्थाओं की तुलना में अपने प्रकीर्णन कोणों में एक स्पष्ट बदलाव दिखाया। इसने शोधकर्ताओं को इन अवस्थाओं के उम्मीदवारों की पहचान करने के लिए आत्मविश्वास प्रदान किया। हालाँकि, अध्ययन ने यह भी प्रकट किया कि उच्च-ऊर्जा कंपनों के लिए स्थिति अधिक जटिल है। विभिन्न स्पिन वाले अवस्थाओं को देखते समय, जैसे कि ऑक्टुपोल या हेक्साडेपोल कंपनों में शामिल अवस्थाएं, पहचान करना बहुत कठिन हो गया। शोधकर्ताओं ने पाया कि ये उच्च-ऊर्जा अवस्थाएं अक्सर अन्य विन्यासों के साथ मिश्रित हो जाती हैं, जिससे केवल चुंबकीय संक्रमणों के आधार पर एक शुद्ध मिश्रित-सममिति अवस्था को अलग करना कठिन हो जाता है।

लेख ने इन नाभिकों में 'कलेक्टिविटी' (सामूहिकता) की उत्पत्ति के बारे में एक लंबे समय से चले आ रहे प्रश्न को भी संबोधित किया। सामूहिकता उस घटना को संदर्भित करती है जहाँ कई कण एक समन्वित तरीके से चलते हैं, जिससे एक मजबूत, एकीकृत कंपन उत्पन्न होता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह सामूहिकता केवल नाभिक के बाहरी कोश के कणों द्वारा उत्पन्न नहीं होती है, जैसा कि कभी माना जाता था। इसके बजाय, शक्ति का एक महत्वपूर्ण हिस्सा नाभिक के भीतर बहुत उच्च-ऊर्जा अवस्थाओं, जिन्हें 'जायंट रेजोनेंस' (विशाल अनुनाद) कहा जाता है, के साथ जुड़ाव से आता है। ये जायंट रेजोनेंसс पूरे नाभिक के विशाल, सामूहिक कंपन की तरह हैं जो बहुत उच्च ऊर्जा पर मौजूद होते हैं। अध्ययन ने दिखाया कि निम्न-ऊर्जा कंपनों और इन उच्च-ऊर्जा जायंट रेजोनेंस के बीच की अंतःक्रिया ही निम्न-ऊर्जा अवस्थाओं को उनकी सामूहिक शक्ति प्रदान करती है। यह खोज बताती है कि संक्रमण की शक्ति इतनी बड़ी क्यों है और क्यों केवल बाहरी कोश को देखने वाले सरल मॉडल अपर्याप्त हैं।

इस कार्य के सबसे महत्वपूर्ण परिणामों में से एक प्रस्तावित पद्धति का पुनर्मूल्यांकन है। पहले, कुछ शोधकर्ताओं ने इन अवस्थाओं की पहचान करने के लिए प्रोटॉन और न्यूट्रॉन संक्रमण मैट्रिक्स तत्वों के एक विशिष्ट अनुपात का उपयोग करने का सुझाव दिया था। विचार यह था कि यदि अनुपात बड़ा है, तो यह एक मिश्रित-सममिति अवस्था को इंगित करता है। हालाँकि, नए विश्लेषण ने दिखाया कि यह अनुपात एक विश्वसनीय संकेतक नहीं है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि इन अवस्थाओं की सामूहिकता उच्च-ऊर्जा जायंट रेजोनेंस से अत्यधिक प्रभावित होती है, जो अनुपात को कम कर देती है और इसे एक स्पष्ट संकेत के रूप में उपयोग करना कठिन बना देती है। वास्तव में, इन नाभिकों में मिश्रित-सममिति अवस्थाओं के लिए, अनुपात उम्मीद से कम निकला, कभी-कभी पूर्णतः सममित अवस्थाओं की तुलना में भी कम रहा। यह खोज प्रभावी रूप से पहचान के लिए उस विशिष्ट अनुपात के उपयोग को खारिज करती है, जिससे वैज्ञानिक समुदाय को इस अध्ययन में उपयोग किए गए ट्रांजिशन डेंसिटी विश्लेषण जैसे अधिक मजबूत तरीकों पर भरोसा करने के लिए मजबूर होना पड़ता है।

शोधकर्ताओं ने अन्य प्रकार के कंपनों, जैसे ऑक्टुपोल (त्रि-आयामी आकार परिवर्तन) और हेक्साडेपोल (अधिक जटिल आकार परिवर्तन) में मिश्रित-सममिति अवस्थाओं को खोजने की संभावनाओं का भी पता लगाया। जबकि मॉडल ने ऐसी अवस्थाओं के अस्तित्व की भविष्यवाणी की, विश्लेषण ने सुझाव दिया कि वे अत्यधिक खंडित (fragmented) होने की संभावना है। इसका अर्थ यह है कि एक एकल, स्पष्ट अवस्था के रूप में दिखने के बजाय, मिश्रित-सममिति चरित्र कई अलग-अलग ऊर्जा स्तरों पर फैला हुआ है। यह विखंडन उन्हें प्रयोगात्मक रूप से पहचानना बहुत कठिन बना देता है, विशेष रूप से क्योंकि वे अक्सर उन ऊर्जाओं पर दिखाई देते हैं जहाँ वे अन्य दो-फोनोन अवस्थाओं के साथ मिश्रित होते हैं। ऑक्टुपोल अवस्थाओं के लिए, मॉडल ने भविष्यवाणी की कि मिश्रित-सममिति उम्मीदवार बहुत उच्च ऊर्जाओं पर स्थित होगा, संभवतः चार मिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट से ऊपर, जो कई पिछले प्रयोगों की सीमा से बाहर है। यह सुझाव देता है कि इन अवस्थाओं की पहचान करने के पिछले दावों पर पुनर्विचार करने की आवश्यकता हो सकती है।

अंत में, यह कार्य जिरकोनियम और मोलिब्डेनम नाभिकों में निम्न-ऊर्जा सामूहिक संरचना की एक व्यापक और विस्तृत तस्वीर प्रदान करता है। इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन प्रकीर्णन डेटा को उन्नत सैद्धांतिक मॉडलिंग के साथ जोड़कर, शोधकर्ताओं ने प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के चलने के अंतर के आधार पर मिश्रित-सममिति अवस्थाओं को पहचानने का एक नया, विश्वसनीय तरीका स्थापित किया है। यह विधि पिछले तकनीकों की अस्पष्टताओं को दूर करती है और परमाणु परिदृश्य का एक स्पष्ट दृश्य प्रदान करती है। अध्ययन पुष्टि करता है कि इन नाभिकों में मिश्रित-सममिति अवस्थाएं वास्तविक और विशिष्ट हैं, जो उनके आंतरिक संरचना में एक विशिष्ट संकेत परिवर्तन द्वारा चारित्रित होती हैं। यह भी रेखांकित करता है कि नाभिक की सामूहिक व्यवहार उत्पन्न करने में उच्च-ऊर्जा जायंट रेजोनेंस की महत्वपूर्ण भूमिका है। हालांकि अधिक जटिल कंपनों में इन अवस्थाओं की पहचान करना चुनौतीपूर्ण बना हुआ है, इस पेपर में विकसित उपकरण और अंतर्दृष्टि भविष्य के अन्वेषण के लिए एक ठोस आधार प्रदान करती है। इन अवस्थाओं को इतनी सटीकता से अलग करने की क्षमता परमाणु नाभिक को थामे रखने वाले मौलिक बलों और उसके भीतर कणों के जटिल नृत्य की गहरी समझ के द्वार खोलती है।