Singular observation of shape and spin hindrance in metastable nuclear decay of $^{197}$Au

प्रत्येक परमाणु के हृदय के भीतर एक नाभिक होता है, जो प्रोटॉन और न्यूट्रॉन का एक सघन समूह है जो आमतौर पर अनुमानित सरलता के साथ व्यवहार करता है। जब ये नाभिक उत्तेजित होते हैं, तो वे आमतौर पर अपनी अतिरिक्त ऊर्जा को लगभग तुरंत मुक्त कर देते हैं, इसे एक सेकंड के अंश में बाहर निकाल देते हैं। हालाँकि, प्रकृति कभी-कभी एक दुर्लभ अपवाद बनाती है: एक परमाणु समावयवी (न्यूक्लियर आइसोमर)। यह एक ऐसी अवस्था है जहाँ नाभिक अटक जाता है, और आश्चर्यजनक रूप से लंबे समय तक, कभी-कभी सेकंड या वर्षों तक अपनी ऊर्जा को थामे रखता है। यह विलंब इसलिए होता है क्योंकि नाभिक ने अपना आकार या अपना स्पिन इस तरह से बदल लिया है कि उसके लिए शांत अवस्था में वापस आना बहुत कठिन हो जाता है। वैज्ञानिक इन जिद्दी अवस्थाओं का अध्ययन इसलिए करते हैं क्योंकि वे संवेदनशील जांच के रूप में कार्य करते हैं, जो यह प्रकट करते हैं कि पदार्थ के मौलिक निर्माण खंड कैसे परस्पर क्रिया करते हैं और क्वांटम दुनिया के नियम भौतिक ब्रह्मांड को कैसे आकार देते हैं।

दशकों से, शोधकर्ता दो मुख्य कारणों को जानते हैं जिनसे कोई नाभिक अटक सकता है। कभी-कभी, नाभिक अपना भौतिक आकार बदल देता है, जैसे कि एक गेंद फुटबॉल की तरह खिंच जाती है, और इसे वापस सामान्य करने के लिए आवश्यक ऊर्जा बहुत अधिक होती है। अन्य समय में, नाभक इतनी तेज़ी से या एक विशिष्ट दिशा में घूमता है कि वह भौतिकी के नियमों को तोड़े बिना आसानी से धीमा नहीं हो सकता। अब तक, देरी के इन दो कारणों को अलग-अलग घटनाओं के रूप में माना जाता था, जो विभिन्न प्रकार के परमाणुओं में घटित होती हैं। एक टीम ऑफ फिजिसिस्टों ने अब एक अनूठा मामला खोजा है जहाँ ये दोनों कारण एक ही परमाणु में एक साथ होते हैं, जो एक जटिल पहेली बनाता है जो हमारे वर्तमान ज्ञान को चुनौती देता है कि परमाणु नाभिक कैसे बने होते हैं।

शोधकर्ताओं ने अपना ध्यान सोने पर केंद्रित किया, विशेष रूप से स्थिर समस्थानिक गोल्ड-197 पर। जबकि सोना एक परिचित धातु है, इसके परमाणु नाभिक को उच्च-ऊर्जा कण बीम का उपयोग करके उत्तेजित अवस्था में लाया जा सकता है। इलिनॉय में ATLAS त्वरक में किए गए प्रयोगों में, वैज्ञानिकों ने सोने के नाभिकों को इन उच्च-ऊर्जा अवस्थाओं में झकझोरने के लिए भारी परमाणुओं की बीम को सोने की एक मोटी पन्नी पर दागा। फिर उन्होंने प्रतीक्षा की, अत्यधिक संवेदनशील डिटेक्टरों का उपयोग करके गामा किरणों के मंद संकेतों को सुनने के लिए—यह वह प्रकाश है जो तब उत्सर्जित होता है जब नाभिक अंततः शिथिल होता है। इन संकेतों के समय को सावधानीपूर्वक मापकर, वे सोने के नाभिक के भीतर एक नए, लंबे समय तक रहने वाले राज्य की पहचान करने में सक्षम हुए जो पहले कभी नहीं देखा गया था।

यह नया पाया गया राज्य 2102 किलोइलेक्ट्रॉनवोल्ट के ऊर्जा स्तर पर स्थित है और इसका स्पिन मान 29/2 है, जो इसके कोणीय संवेग का एक माप है। यह खोज कितनी उल्लेखनीय है, यह इस बात से पता चलता है कि नाभिक अपनी ऊर्जा को छोड़ने का निर्णय कैसे लेता है। एक एकल, सीधा रास्ता अपनाने के बजाय, यह एक अजीब दुविधा का सामना करता है। यह अपना आकार बदलकर ऊर्जा मुक्त कर सकता है, एक ऐसी प्रक्रिया जो आमतौर पर कुशल होती है, लेकिन इस मामले में, वह पथ अत्यधिक बाधित है। साथ ही, यह स्पिन कम करके ऊर्जा मुक्त कर सकता है, एक ऐसी प्रक्रिया जो आमतौर पर 'नियर-सिंगल-पार्टिकल स्ट्रेंथ' के साथ आगे बढ़ती है, फिर भी यहाँ यह बाधित आकार परिवर्तन के साथ प्रतिस्पर्धा करती है। नाभिक अंततः अपने क्षय को दो प्रतिस्पर्धी शाखाओं में विभाजित करता है: एक जो आकार परिवर्तन द्वारा दृढ़ता से बाधित है, और दूसरी जो एक तुलनात्मक तीव्रता के साथ स्पिन-संबंधी पथ का अनुसरण करती है, बावजूद इसके कि इन तंत्रों का असामान्य सह-अस्तित्व है।

टीम ने इस अवस्था का जीवनकाल दस सेकंड से अधिक मापा, जो परमाणु भौतिकी की दुनिया में एक अनंत काल है। उन्होंने देखा कि नाभिक 266.6 किलोइलेक्ट्रॉनवोल्ट की ऊर्जा वाली एक गामा किरण उत्सर्जित करता है जब वह एक निचली ऊर्जा स्तर पर गिरता है। यह विशिष्ट उत्सर्जन एक प्रकार का संक्रमण है जो सामान्य रूप से बहुत दुर्लभ और धीमा होता है, फिर भी यह एक बहुत कमजोर, आकार-परिवर्तक संक्रमण के साथ सीधे प्रतिस्पर्धा करता है जो लगभग पूरी तरह से दबा हुआ है। बाधित आकार परिवर्तन और एक प्रतिस्पर्धी स्पिन परिवर्तन का यह असामान्य सह-अस्तित्व पहले कभी किसी लंबे समय तक रहने वाले परमाणु अवस्था में नहीं देखा गया है। यह सुझाव देता है कि सोने का नाभिक दो अलग-अलग संरचनात्मक वास्तविकताओं के बीच फंसा हुआ है, जो एक को दूसरे में पूरी तरह से बदलने में असमर्थ है।

यह समझने के लिए कि यह क्यों हो रहा है, वैज्ञानिकों ने परमाणु संरचना के दो अलग-अलग मॉडलों का उपयोग करके विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन चलाए। एक मॉडल ने नाभिक को एक विकृत, घूमती हुई वस्तु के रूप में माना, जबकि दूसरे ने इसके भीतर के व्यक्तिगत कणों को देखा। दोनों मॉडल सहमत थे कि नाभिक का आकार मध्यम और चपटा है, लेकिन उन्होंने एक संघर्ष भी प्रकट किया। गणनाओं ने दिखाया कि आकार परिवर्तन वाला संक्रमण जितना देखा गया उससे कहीं अधिक मजबूत होना चाहिए, जबकि स्पिन-संबंधित संक्रमण डेटा के साथ बेहतर मेल खाता है। यह विसंगति इंगित करती है कि सरल मॉडल इस बारे में कुछ महत्वपूर्ण भूल रहे हैं कि इस विशिष्ट अवस्था में आकार और व्यक्तिगत कण आपस में कैसे मिश्रित होते हैं। परिणाम बताते हैं कि आवर्त सारणी के स्थिर, सुस्थापित क्षेत्रों के पास भी, परमाणुओं के नाभिक का व्यवहार पहले की तुलना में बहुत अधिक जटिल हो सकता है।

यह खोज महत्वपूर्ण है क्योंकि यह वैज्ञानिकों को एक परमाणु के आंतरिक जीवन का वर्णन करने के लिए पुनर्मूल्यांकन करने के लिए मजबूर करती है। वर्तमान सिद्धांत अक्सर नाभिक के सामूहिक आकार और इसके व्यक्तिगत कणों के व्यवहार को अलग-अलग कहानियों के रूप में देखते हैं। गोल्ड-197 आइसोमर दिखाता है कि ये कहानियाँ गहराई से जुड़ी हुई हैं, जहाँ आकार क्षय को बाधित करता है और स्पिन-संबंधी संक्रमण 'नियर-सिंगल-पार्टिकल स्ट्रेंथ' के साथ आगे बढ़ता है। यह एक अद्वितीय बेंचमार्क बनाता है, क्योंकि किसी भी सफल मॉडल को अब यह समझाने में सक्षम होना चाहिए कि ये दो अलग-अलग प्रकार के प्रतिरोध एक ही परमाणु में एक साथ कैसे काम करते हैं। यह खोज केवल परमाणु अवस्थाओं की सूची में एक नया प्रविष्टि नहीं जोड़ती है; यह नाभिक की सामूहिक गति और इसके घटकों के क्वांटम यांत्रिकी के बीच जटिल परस्पर क्रिया में एक खिड़की खोलती है, जो यह सिद्ध करती है कि सोने के परिचित क्षेत्र में भी, अभी भी गहरे रहस्य सुलझने की प्रतीक्षा कर रहे हैं।