Impact of ab initio E1 strength on neutron capture rates along the nickel isotopic chain

तारों के हृदय की गहराइयों में, एक ब्रह्मांडीय कीमिया (cosmic alchemy) निरंतर कार्यरत है, जो उन भारी तत्वों को गढ़ रही है जिनसे हमारी दुनिया बनी है। जबकि कार्बन और ऑक्सीजन जैसे हल्के तत्व तारों की स्थिर ज्वालाओं के दहन से जन्म लेते हैं, सबसे भारी तत्व, जैसे कि सोना और प्लैटिनम, अत्यंत हिंसक और चरम घटनाओं में निर्मित होते हैं जहाँ न्यूट्रॉन अत्यधिक तीव्र गति से पकड़े जाते हैं। यह प्रक्रिया, जिसे रैपिड न्यूट्रॉन-कैप्चर प्रोसेस या r-प्रक्रिया कहा जाता है, इन भारी सामग्रियों के लिए ब्रह्नी ब्रह्मांड का प्राथमिक कारखाना है। प्रत्येक तत्व का सटीक रूप से कितना उत्पादन होता है, इसे समझने के लिए वैज्ञानिकों को यह जानना आवश्यक है कि परमाणु नाभिक किस दर से न्यूट्रॉन को ग्रहण करते हैं। हालाँकि, इस ब्रह्मांडीय नृत्य में शामिल कई अस्थिर, न्यूट्रॉन-समृद्ध नाभिक केवल कुछ सेकंड के अंश के लिए अस्तित्व में रहते हैं, जिससे उनका प्रयोगशाला में सीधे अध्ययन करना असंभव हो जाता है। फलस्वरूप, शोधकर्ताओं को इन क्षणभंगुर परमाणुओं के व्यवहार की भविष्यवाणी करने के लिए सैद्धांतिक गणनाओं पर निर्भर रहना पड़ता है, जो उन रिक्त स्थानों को भरते हैं जहाँ प्रत्यक्ष माप असंभव है।

इस पहेली का एक महत्वपूर्ण हिस्सा यह है कि ये नाभिक प्रकाश के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, विशेष रूप से वे ऊर्जा को कैसे अवशोषित करते हैं, जिसे 'इलेक्ट्रिक डायपोल स्ट्रेंथ' नामक कंपन के माध्यम से समझा जा सकता है। सरल शब्दों में, यह बताता है कि ऊर्जा से टकराने पर एक परमाणु के भीतर प्रोटॉन और न्यूट्रॉन एक-दूसरे के सापेक्ष कैसे स्थानांतरित होते हैं। दशकों से, वैज्ञानिक अस्थिर परमाणुओं के इन व्यवहारों का अनुमान लगाने के लिए व्यापक, सामान्यीकृत मॉडलों का उपयोग करते आए हैं, लेकिन इन अनुमानों में अक्सर उस सटीकता का अभाव होता है जिसकी आवश्यकता ब्रह्मांड में तत्वों के निर्माण का सटीक अनुकरण करने के लिए होती है। फ्रांसेस्का बोनाइट और जोआना ई. सोबसिक द्वारा किया गया एक नया अध्ययन इस चुनौती का सीधे तौर पर सामना करता है, जिसमें वे शिक्षित अनुमानों पर निर्भर रहने के बजाय कणों के बीच के मौलिक बलों का उपयोग करके इन अंतःक्रियाओं की गणना करते हैं।

शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट परमाणु परिवार पर ध्यान केंद्रित किया: निकेल आइसोटोप। निकेल r-प्रक्रिया में एक प्रमुख खिलाड़ी है, जो एक मील के पत्थर के रूप में कार्य करता है जो लगभग एक सौ द्रव्यमान वाले तत्वों की प्रचुरता को प्रभावित करता है। टीम ने "अबियो" (ab initio) नामक एक शक्तिशाली कम्प्यूटेशनल दृष्टिकोण का उपयोग किया, जिसका अर्थ है "शुरुआत से"। मौजूदा डेटा के अनुरूप अपनी गणनाओं को फिट करने के बजाय, उन्होंने परमाणु भौतिकी के मौलिक नियमों से शुरुआत की, विशेष रूप से 'काइरल इफेक्टिव फील्ड थ्योरी' से प्राप्त प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के बीच की अंतःक्रियाओं से। उन्होंने इसे निकेल-58 से लेकर अत्यंत न्यूट्रॉन-समृद्ध निकेल-80 तक के निकेल परमाणुओं की एक श्रृंखला पर लागू किया। इन अस्थिर, ओपन-शेल नाभिकों की जटिल गणितीय संरचना को संभालने के लिए, उन्होंने 'लोरेंत्ज़ इंटीग्रल ट्रांसफॉर्म कपल्ड-क्लस्टर तकनीक' के एक नए विस्तार को विकसित किया। इसने उन्हें इन परमाणुओं के ऊर्जा के प्रति प्रतिक्रिया का अनुकरण करने की अनुमति दी, बिना उन असंभव स्कैटरिंग स्टेट्स (scattering states) का निर्माण किए जो आमतौर पर ऐसी गणनाओं को जटिल बना देते हैं।

परिणामों ने इन न्यूट्रॉन-समृद्ध परमाणुओं के व्यवहार में एक महत्वपूर्ण विशेषता को प्रकट किया: नाभिक के भागने के बिंदु (escape threshold) के ठीक ऊपर एक विशिष्ट, निम्न-स्तरीय शक्ति (low-lying strength)। यह घटना, जिसे अक्सर "पिग्मी डायपोल रेजोनेंस" (pygmy dipole resonance) के रूप में जाना जाता है, एक नरम, कम-ऊर्जा वाले कंपन की तरह कार्य करती है जो नाभिक में अधिक न्यूट्रॉन आने पर अधिक स्पष्ट हो जाती है। निकेल-80 के मामले में, यह निम्न-ऊर्जा कंपन इतना शक्तिशाली है और पलायन सीमा के इतने करीब है कि यह 0.5 बिलियन डिग्री के आश्चर्यजनक रूप से कम तापमान पर भी परमाणु के व्यवहार को प्रभावित करने लगता है। अन्य आइसोटोप के लिए, यह प्रभाव न्यूट्रॉन की संख्या बढ़ने के साथ और मजबूत होता जाता है, जो 3 से 10 बिलियन डिग्री के बीच के तापमान पर एक प्रमुख कारक बन जाता है।

जब शोधकर्ताओं ने इन नई, प्रथम-सिद्धांत (first-principles) आधारित गणनाओं को तारकीय विस्फोटों के अनुकरण के लिए उपयोग किए जाने वाले मानक कंप्यूटर कोड में डाला, तो प्रभाव स्पष्ट था। इस विशिष्ट इलेक्ट्रिक डायपोल स्ट्रेंथ को शामिल करने से उन निकेल नाभिकों द्वारा न्यूट्रॉन ग्रहण करने की दर में उल्लेखनीय वृद्धि हुई। भारी आइसोटोप के लिए, कैप्चर की दर पिछले अनुमानों की तुलना में 16 प्रतिशत से तीन गुना तक बढ़ गई, जो तापमान और विशिष्ट आइसोटोप पर निर्भर करती है। यह वृद्धि कोई मामूली समायोजन नहीं है; यह इस बात की समझ में एक मौलिक बदलाव है कि ये नाभिक अपने परिवेश के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। अध्ययन ने यह भी रेखांकित किया कि उनके परिणामों में सबसे बड़ा अनिश्चितता का स्रोत उनकी गणनाओं को अंतिम उत्तर प्राप्त करने के लिए उलटने (reversing) की गणितीय प्रक्रिया से आता है, न कि अंतर्निहित भौतिकी मॉडल से।

इस इलेक्ट्रिक डायपोल स्ट्रेंथ का पहला कठोर, प्रथम-सिद्धांत आधारित विवरण प्रदान करके, यह कार्य खगोलीय सिमुलेशन के लिए एक नया, अधिक विश्वसनीय आधार प्रदान करता है। यह सुझाव देता है कि ब्रह्मांड में भारी तत्वों का उत्पादन पहले की तुलना में अधिक कुशल हो सकता है, विशेष रूप से सबसे भारी निकेल आइसोटोप के लिए। जबकि शोधकर्ता स्वीकार करते हैं कि भविष्य के कार्यों को अनिश्चितताओं को कम करने के लिए गणितीय इन्वर्जन (inversion) प्रक्रिया को परिष्कृत करने की आवश्यकता होगी, यह अध्ययन सफलतापूर्वक मौलिक परमाणु सिद्धांत और ब्रह्मांडीय तत्व निर्माण के विशाल पैमाने के बीच के अंतर को पाटता है। यह प्रदर्शित करता है कि सबसे अस्थिर परमाणुओं के लिए भी, हम अब उनके व्यवहार की भविष्यवाणी उस स्तर के विवरण के साथ कर सकते हैं जो पहले पहुंच से बाहर था, जो हमें इस रहस्य को सुलझाने के करीब लाता है कि हमारे ब्रह्मांड में भारी तत्व वास्तव में कहाँ से आते हैं।