⚛️ nuclear experiments

Direct measurement of Enhanced octupole collectivity in 148Dy

TRIUMF में GRIFFIN स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने $^{148}$ Dy में 46(3) W.u. की एक संवर्धित इलेक्ट्रिक ऑक्टुपोल ट्रांज़िशन स्ट्रेंथ को मापा है, जो $Z=64$ से परे महत्वपूर्ण ऑक्टुपोल कलेक्टिविटी का प्रत्यक्ष प्रमाण प्रदान करता है और पारंपरिक ऑक्टुपोल मैजिक नंबर्स से बहुत दूर इस घटना की ज्ञात सीमाओं का विस्तार करता है।

मूल लेखक: P. Spagnoletti, V. Vedia, E. Yuksel, Y. X. Yu, G. J. Fu, R. Umashankar, G. Andreetta, C. Andreoiu, A. A. Avaa, G. C. Ball, V. Bildstein, S. Buck, E. Cantacuzene, G. Colombi, I. Dillmann, L. P. Gaffney

प्रकाशित 2026-09-21

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CC BY 4.0

मूल लेखक: P. Spagnoletti, V. Vedia, E. Yuksel, Y. X. Yu, G. J. Fu, R. Umashankar, G. Andreetta, C. Andreoiu, A. A. Avaa, G. C. Ball, V. Bildstein, S. Buck, E. Cantacuzene, G. Colombi, I. Dillmann, L. P. Gaffney, A. B. Garnsworthy, P. E. Garrett, G. F. Grinyer, G. Hackman, J. Liu, A. Ludlam, L. L. Luperi, Madhu, T. La Marca, D. Movilla-Quintero, S. Murillo Morales, R. Nicolas del Alamo, M. M. Rajabali, P. H. Regan, M. Rocchini, M. Scheck, J. Seger, S. Sekal, D. Stramaccioni, C. E. Svensson, A. Tsantiri, J. Williams, F. Wu

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

प्रत्येक परमाणु के हृदय के भीतर एक नाभिक होता है, जो प्रोटॉन और न्यूट्रॉन का एक सघन समूह है जो आमतौर पर एक पूर्णतः गोल या थोड़ा चपटा आकार रखता है। दशकों से, भौतिकविदों को ज्ञात है कि विशिष्ट परिस्थितियों में, ये नाभिक एक नाशपाती (pear) के आकार में खिंच सकते हैं, जहाँ एक सिरा दूसरे की तुलना में थोड़ा भारी होता है। यह असामान्य रूप भीतर के कणों के बीच एक सूक्ष्म खींचतान से उत्पन्न होता है, जो गोले की समरूपता को तोड़ देता है एक विरूपण पैदा करता है। वैज्ञानिक इन नाशपाती के आकार के नाभिकों में गहरी रुचि रखते हैं क्योंकि वे इस बात को समझने की कुंजी हो सकते हैं कि ब्रह्मांड पदार्थ (matter) से बना है न कि प्रति-पदार्थ (antimatter) से। उन्हें खोजने के लिए, शोधकर्ता प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के उन विशिष्ट संयोजनों की तलाश करते हैं जहाँ यह नाशपाती का आकार दिखने की सबसे अधिक संभावना होती है, जो अक्सर कुछ "जादुई" संख्याओं के पास होते हैं जो एक सीढ़ी के स्थिर पायदानों की तरह कार्य करती हैं।

शोधकर्ताओं के एक दल ने अब इन नाशपाती के आकारों का मानचित्रण करने में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। उन्होंने डिस्प्रोसियम (dysprosium) तत्व के एक आइसोटोप पर ध्यान केंद्रित किया, विशेष रूप से 66 प्रोटॉन और 82 न्यूट्रॉन वाला एक परमाणु। इस परमाणु के क्षय (decay) का अध्ययन करके, वे 'इलेक्ट्रिक ऑक्टुपोल ट्रांजिशन स्ट्रेंथ' नामक गुण को मापने में सक्षम थे। सरल शब्दों में, यह माप हमें बताता है कि नाभिक कितनी आसानी से नाशपाती के आकार से वापस गोल आकार में बदल सकता है, या वह इस नाशपाती जैसे मोड में कितनी मजबूती से कंपन करता है। यह संकेत जितना मजबूत होगा, नाभिक के भीतर नाशपाती का आकार उतना ही अधिक स्पष्ट होगा। यह विशिष्ट माप करना अत्यंत कठिन है क्योंकि संकेत बहुत धुंधले होते हैं और अन्य अधिक सामान्य प्रकार के परमाणु क्षय द्वारा आसानी से दब जाते हैं।

इस मायावी संकेत को पकड़ने के लिए, टीम ने कनाडा के एक प्रमुख अनुसंधान केंद्र में डिस्प्रोसियम परमाणुओं की एक बीम तैयार की। उन्होंने एक लक्ष्य (target) पर उच्च-ऊर्जा वाले प्रोटॉनों की बमबारी की ताकि उस तत्व का एक दुर्लभ, अस्थिर संस्करण बनाया जा सके, जिसे बाद में उन्होंने फिल्टर किया और तब तक धीमा किया जब तक कि वह अवलोकन के लिए उपयुक्त न हो जाए। इन परमाणुओं को एक डिटेक्टरों के परिष्कृत समूह से घिरे एक टेप सिस्टम में प्रत्यारोपित किया गया। जैसे ही परमाणु क्षय हुए, उन्होंने गामा किरणें उत्सर्जित कीं, जो प्रकाश के उच्च-ऊर्जा फ्लैश हैं। शोधकर्ताओं ने यह मापने के लिए एक विशेष टाइमिंग तकनीक का उपयोग किया कि उत्तेजित नाभिक ने अपनी ऊर्जा छोड़ने से पहले ठीक कितना समय प्रतीक्षा की। इस सटीक टाइमिंग को इस गणना के साथ जोड़कर कि नाभिक ने कितनी बार ऊर्जा को सीधे अपने ग्राउंड स्टेट (ground state) में छोड़ने के बजाय एक मध्यवर्ती चरण के माध्यम से जाने का विकल्प चुना, वे ऑक्टुपोल कंपन की शक्ति की गणना कर सके।

परिणाम चौंकाने वाले थे। टीम ने निर्धारित किया कि इस डिस्प्रोसियम आइसोटोप के लिए ट्रांजिशन स्ट्रेंथ 46 यूनिट है, जो तत्वों की इस विशिष्ट श्रृंखला में मापा गया अब तक का सबसे बड़ा मान है। यह खोज पुष्टि करती है कि नाशपाती के आकार बनाने की प्रवृत्ति 64 प्रोटॉन की पूर्व ज्ञात सीमा पर नहीं रुकती है, बल्कि आगे बढ़कर कम से कम 66 प्रोटॉन तक पहुँच जाती है। डेटा सुझाव देता है कि परमाणु चार्ट का वह क्षेत्र जहाँ ये आकार सबसे अधिक प्रमुख हैं, पहले की तुलना में बड़ा है, जो उन सीमाओं को आगे बढ़ाता है जहाँ हम उन्हें खोजने की अपेक्षा करते हैं। यह माप केवल एक संख्या नहीं है; यह इस विशिष्ट परमाणु में उन्नत 'ऑक्टुपोल कलेक्टिविटी' का प्रत्यक्ष प्रमाण है, जो एक मजबूत नाशपाती जैसी कंपन का संकेत देता है, हालांकि यह प्रश्न अभी भी खुला है कि क्या यह इस क्षेत्र में एक स्थायी रूप से स्थिर विरूपण (deformation) का प्रतिनिधित्व करता है।

शोधकर्ताओं ने अपने प्रयोगात्मक परिणामों की तुलना जटिल कंप्यूटर सिमुलेशन के साथ की जो परमाणु व्यवहार की भविष्यवाणी करने के लिए डिज़ाइन किए गए थे। जबकि कुछ सैद्धांतिक मॉडल करीब आए, उनमें से कोई भी डिस्प्रोसियम परमाणु में देखी गई स्ट्रेंथ के परिमाण की पूरी तरह से भविष्यवाणी नहीं कर सका। सिमुलेशन ने सुझाव दिया कि प्रभाव कमजोर होगा, या वे उस तीव्र वृद्धि को पकड़ने में विफल रहे जो डेटा में देखी गई थी। सिद्धांत और माप के बीच का यह अंतर इस बात को रेखांकित करता है कि प्रोटॉन और न्यूट्रॉन कैसे परस्पर क्रिया करके इन आकारों को बनाते हैं, इसकी हमारी वर्तमान समझ अभी भी अपूर्ण है। मॉडलों को उन विशिष्ट तरीकों को ध्यान में रखने के लिए परिष्कृत करने की आवश्यकता है जिनसे ये कण ऊर्जा अंतराल (energy gaps) के पार चलते हैं, जिन्हें पहले कम महत्वपूर्ण माना जाता था।

यह कार्य केवल एक चार्ट में डेटा बिंदु जोड़ने से कहीं अधिक है; यह उन सीमाओं को फिर से परिभाषित करता है जहाँ हमें इन विलक्षण आकारों की तलाश करनी चाहिए। यह खोज यह संकेत देती है कि "नाशपाती के आकार" वाला क्षेत्र वैज्ञानिकों की अपेक्षा से भारी तत्वों की ओर और आगे तक फैला हुआ है। यह यह भी सुझाव देता है कि अन्य आस-पास के आइसोटोप, जिनका अभी तक इस स्तर की सटीकता के साथ अध्ययन नहीं किया गया है, में और भी मजबूत नाशपाती जैसे लक्षण हो सकते हैं। निष्कर्ष भविष्य के प्रयोगों के लिए एक स्पष्ट दिशा प्रदान करते हैं, जो शोधकर्ताओं को यह देखने के लिए और भी भारी तत्वों की ओर देखने के लिए प्रेरित करते हैं कि क्या यह रुझान जारी रहता है। इन आकारों को ठीक से पहचान कर, यह अध्ययन हमें अनुमान या अप्रत्यक्ष संकेतों पर निर्भर हुए बिना, उस पदार्थ के स्वरूप को आकार देने वाले मौलिक बलों को समझने के करीब लाता है जो हमारे चारों ओर मौजूद है।

तकनीकी सारांश: $^{148}\text{Dy}$ में संवर्धित अष्टक (Octupole) संग्रहशीलता का प्रत्यक्ष मापन

समस्या विवरण
प्रतिबिंब समरूपता भंग होने के परिणामस्वरूप उत्पन्न होने वाले "नाशपाती"-आकार के नाभिकों का अस्तित्व दीर्घ-परासी अष्टक-अष्टक सहसंबंधों (octupole-octupole correlations) द्वारा संचालित होता है, जो तब सबसे प्रबल होते हैं जब $\Delta j = \Delta \ell = 3\hbar$ वाले ऑर्बिटल्स फर्मी सतह के निकट स्थित होते। यद्यपि एक्टिनाइड ( $Z \sim 88, N \sim 134$ ) और लैंथेनाइड ( $Z \sim 56, N \sim 88$ ) क्षेत्रों पर महत्वपूर्ण सैद्धांतिक और प्रयोगात्मक ध्यान दिया गया है, लेकिन संवर्धित अष्टक संग्रहशीलता की सटीक सीमाएं अभी भी अस्पष्ट हैं। विशेष रूप से, जबकि $Z=50$ से $Z=64$ तक $N=82$ आइसोटोनिक श्रृंखला के भीतर $B(E3; 3^-_1 \to 0^+_1)$ संक्रमण सामर्थ्य में वृद्धि देखी गई थी, यह अज्ञात था कि क्या यह प्रवृत्ति $Z=64$ (गैडोलीनियम) के आगे भी जारी रहती है या गैडोलीनियम आइसोटोप इस क्षेत्र में संग्रहशीलता के शिखर का प्रतिनिधित्व करते हैं। इसके अतिरिक्त, इलेक्ट्रिक-ऑक्टुपोल (E3) संक्रमण सामर्थ्य का प्रयोगात्मक मापन चुनौतीपूर्ण है क्योंकि E3 संक्रमण अक्सर अनुमत E1 या E2 संक्रमणों के साथ प्रतिस्पर्धा में कमजोर पड़ जाते हैं।

कार्यप्रणाली
लेखकों ने $^{148}\text{Dy}$ में $3^-_1$ स्तर के औसत जीवनकाल (mean lifetime) और इसके ग्राउंड स्टेट में क्षय के ब्रांचिंग अंश (branching fraction) का प्रत्यक्ष मापन किया।

उत्पादन: $^{148}\text{Dy}$ में उत्तेजित अवस्थाओं को $^{148m}\text{Ho}$ ( $T_{1/2} = 9.60(13)$ s) के $\beta^+$ /EC क्षय के माध्यम से जनरेट किया गया। इस आइसोमर को TRIUMF ISAC-I सुविधा पर टैंटलम लक्ष्य पर 480-MeV प्रोटॉन बमबारी करके उत्पादित किया गया था।
बीम शुद्धिकरण: आइसोबारिक संदूषकों को दबाने के लिए लेजर आयन स्रोत का उपयोग करके Ho परमाणुओं को आयनित किया गया, जिसके बाद एक शुद्ध $^{148}\text{Ho}$ बीम प्राप्त करने के लिए द्रव्य पृथक्करण (mass separation) किया गया, जिसे GRIFFIN स्पेक्ट्रोमीटर के केंद्र में एक माइलर टेप में इम्प्लांट किया गया।
डिटेक्शन: GRIFFIN स्पेक्ट्रोमीटर, जो 15 HPGe क्लोवर डिटेक्टरों और 8 $\text{LaBr}_3(\text{Ce})$ फास्ट-सिंटिलेटर डिटेक्टरों (सक्रिय एंटी-कॉम्पटन शील्डिंग के साथ) से सुसज्जित है, का उपयोग क्षय डेटा एकत्र करने के लिए किया गया।
जीवनकाल मापन: $3^-_1$ स्तर के औसत जीवनकाल को 'जनरलाइज्ड सेंट्रॉइड डिफरेंस' (GCD) विधि का उपयोग करके निर्धारित किया गया। इसमें $\text{LaBr}_3(\text{Ce})$ डिटेक्टरों का उपयोग करके फीडिंग ट्रांजिशन ( $5^-_1 \to 3^-_1$ @ 660.8 keV) और क्षय ट्रांजिशन ( $3^-_1 \to 0^+_1$ @ 1687.5 keV और $3^-_1 \to 2^+_1$ @ 1677.5 keV) के बीच समय अंतर को मापा गया।
ब्रांचिंग अंश: $3^-_1 \to 0^+_1$ ट्रांजिशन के लिए पूर्ण $\gamma$ -रे ब्रांचिंग अंश को $3^-_1$ स्तर को फीड करने वाले ट्रांजिशन के साथ सह-घटना (coincidence) में 1687-keV (E3) और 1677-keV (E2) ट्रांजिशन के तीव्रता अनुपात को मापकर प्राप्त किया गया। अनपेक्षित 10-keV E1 ट्रांजिशन के योगदान को आंतरिक रूपांतर गुणांकों (internal conversion coefficients) का उपयोग करके समायोजित किया गया।
विश्लेषण: डेटा विश्लेषण में कॉम्पटन बैकग्राउंड टाइम कोरिलेशन और डिटेक्टर सिस्टम के ऊर्जा-निर्भर प्रॉम्प्ट रिस्पॉन्स डिफरेंस (PRD) के लिए सुधार शामिल थे।

मुख्य परिणाम

औसत जीवनकाल: $^{148}\text{Dy}$ में $3^-_1$ स्तर का औसत जीवनकाल $\tau = 640(38)$ ps निर्धारित किया गया। यह मान कॉन्वोल्यूशन विधि ( $\tau = 640(25)$ ps) से प्राप्त परिणामों के अनुरूप था।
ब्रांचिंग अंश: $3^-_1 \to 0^+_1$ ट्रांजिशन के लिए ग्राउंड-स्टेट ब्रांचिंग अंश $I_{\gamma, \text{rel.}} = 0.862(11)$ मापा गया।
ट्रांजिशन सामर्थ्य: जीवनकाल और ब्रांचिंग अंश को संयोजित करके, न्यूनीकरण इलेक्ट्रिक-ऑक्टुपोल ट्रांजिशन सामर्थ्य की गणना की गई: $B(E3; 3^-_1 \to 0^+_1) = 46(3)$ W.u.
तुलना: यह मान संपूर्ण $N=82$ आइसोटोनिक श्रृंखला में सबसे अधिक मापा गया $B(E3)$ सामर्थ्य है और लैंथेनाइड क्षेत्र में सबसे बड़े मानों में से एक है।

सैद्धांतिक संदर्भ और तुलना
प्रायोगिक परिणामों की तुलना SkI3 और SkM* स्काईर्म ऊर्जा-घनत्व कार्यात्मकों (energy-density functionals) के साथ क्वासीपार्टिकल रैंडम फेज एप्रोक्सिमेशन (QRPA) और लार्ज-स्केल शेल-मॉडल (SM) गणनाओं से की गई।

QRPA: SkM* इंटरेक्शन ने हल्के आइसोटोन्स ( $^{142}\text{Nd}$ , $^{144}\text{Sm}$ , $^{146}\text{Gd}$ ) के लिए डेटा को पुनरुत्पादित किया, लेकिन $^{148}\text{Dy}$ में देखी गई वृद्धि को काफी कम करके दिखाया। SkI3 इंटरेक्शन ने $^{148}\text{Dy}$ के परिणाम को पुनरुत्पादित किया लेकिन $^{146}\text{Gd}$ में सामर्थ्य को अत्यधिक बढ़ाकर दिखाया। दोनों मॉडल संकेत देते हैं कि यह वृद्धि $\pi 1d_{5/2}$ ऑर्बिटल के बढ़ते अधिभोग (occupation) और $\pi 0h_{11/2}$ ऑर्बिटल की उपलब्धता से प्रेरित है, लेकिन कोई भी $^{146}\text{Gd}$ से $^{148}\text{Dy}$ के बीच की वृद्धि के परिमाण को पूरी तरह से पकड़ने में सक्षम नहीं है।
शेल मॉडल: मानक SM गणनाओं ने $B(E3)$ मानों को कारक दो से कम करके दिखाया। एक शिफ्टेड SM दृष्टिकोण, जिसने $^{132}\text{Sn}$ कोर को संदर्भ मानकर क्रॉस-शेल न्यूट्रॉन उत्तेजनाओं को ध्यान में रखा, ने एक बेहतर बेसलाइन प्रदान की लेकिन फिर भी $^{146}\text{Gd}$ और $^{148}\text{Dy}$ के बीच देखी गई बड़ी वृद्धि को पुनरुत्पादित करने में विफल रहा।

महत्व और दावे
लेखक दावा करते हैं कि यह कार्य $Z=64$ से परे संवर्धित अष्टक संग्रहशीलता के प्रत्यक्ष प्रमाण प्रदान करता है, जो पारंपरिक "अष्टक जादुई संख्याओं" ( $Z=56, N=88$ ) से दूर ज्ञात सीमाओं का विस्तार करता है।

यह मापन पुष्टि करता है कि $B(E3)$ सामर्थ्य बढ़ने की प्रवृत्ति quasi-doubly-magic $^{146}\text{Gd}$ के आगे भी जारी रहती है, जो $N=82$ श्रृंखला के भीतर $^{148}\text{Dy}$ में अपने अधिकतम स्तर पर पहुँचती है।
यह परिणाम मौजूदा सैद्धांतिक मॉडलों (QRPA और SM) को चुनौती देता है, जो क्रॉस-शेल अष्टक सहसंबंधों के अधिक सटीक विवरण की आवश्यकता को दर्शाता है।
लेखक सुझाव देते हैं कि व्यवस्थित अध्ययन और QRPA भविष्यवाणियों के आधार पर, भारी डिस्प्रोसियम आइसोटोप ( $^{150,152}\text{Dy}$ ) और एर्बियम एवं इटरबियम के आइसोटोप में और भी अधिक $B(E3)$ सामर्थ्य हो सकते है, जो अष्टक संग्रहशीलता की सीमाओं को पूरी तरह से मैप करने के लिए भविष्य के प्रयोगात्मक अध्ययनों को प्रेरित करते हैं।
यह अध्ययन दर्शाता है कि जहाँ E3 क्षय प्रयोगात्मक रूप से सुलभ होते हैं, वहाँ कूलम्ब एक्साइटेशन के पूरक दृष्टिकोण के रूप में फास्ट-टाइमिंग तकनीकों के साथ ब्रांचिंग अंश मापन की व्यवहार्यता सिद्ध होती है।

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