Deciphering Entangled Fission at Finite Excitations via Thermal Subspace Projection

एक परमाणु के हृदय के भीतर, एक नाभिक (न्यूक्लियस) अलग हो सकता है, दो अलग-अलग टुकड़ों में टूटकर एक-दूसरे से दूर जा सकता है। यह प्रक्रिया, जिसे नाभिकीय विखंडन (न्यूक्लियर फिशन) कहा जाता है, परमाणु ऊर्जा और परमाणु हथियारों दोनों के पीछे का इंजन है। दशकों से, वैज्ञानिक समझते आए हैं कि जब ये दो टुकड़े अलग होते हैं, तो वे केवल एक केक को आधा काटने की तरह परमाणु की सामग्री को विभाजित नहीं करते हैं। इसके बजाय, नाभिक के भीतर के कण और ऊर्जा गहराई से जुड़े या "एंटैंगल्ड" (entangled) रहते हैं, भले ही वे टुकड़े एक-दूसरे से बहुत दूर चले जाएं। यह संबंध यह सुनिश्चित करता है कि दोनों टुकड़ों के बीच कणों और ऊर्जा का साझाकरण यादृच्छिक (रैंडम) नहीं है; यह विशिष्ट नियमों का पालन करता है जो इस बात पर निर्भर करते हैं कि विभाजन के समय नाभिक में कितनी ऊर्जा थी। यह समझना कि यह साझाकरण वास्तव में कैसे काम करता है, परमाणु रिएक्टरों के व्यवहार की भविष्यवाणी करने और परमाणु डेटा की सुरक्षा और प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए महत्वपूर्ण है, फिर भी इसके विवरणों को स्पष्ट रूप से पकड़ पाना निराशाजनक रूप से कठिन रहा है, विशेष रूप से जब टक्कर की ऊर्जा से नाभिक गर्म हो जाता है।

बीजिंग विश्वविद्यालय और चीन के अन्य संस्थानों के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस प्रक्रिया के भीतर देखने का एक नया तरीका विकसित किया है, विशेष रूप से यह देखने के लिए कि जैसे-जैसे नाभिक गर्म होता है, कणों और ऊर्जा के साझाकरण में क्या बदलाव आता है। उन्होंने एक विशिष्ट प्रकार के परमाणु, प्लूटोनियम-240 पर ध्यान केंद्रित किया, जिसका उपयोग अक्सर परमाणु अध्ययनों में किया जाता है। क्वांटम यांत्रिकी के नियमों को ऊष्मा (हीट) के प्रभावों के साथ जोड़कर एक परिष्कृत गणितीय मॉडल बनाकर, वे नाभिक के टूटने के क्षण का अनुकरण (सिमुलेट) करने और यह सटीक गणना करने में सक्षम हुए कि प्रत्येक टुकड़े में कितने प्रोटॉन और न्यूरोन समाप्त होंगे। उनका कार्य दो विपरीत बलों के बीच एक दिलचस्प खींचतान को प्रकट करता है: क्वांटम एंटैंगलमेंट जो टुकड़ों के गुणों को मजबूती से सह-संबंधित रखने की कोशिश करता है, और बढ़ती ऊष्मा जो उन गुणों को धुंधला और यादृच्छिक बनाने की प्रवृत्ति रखती है।

शोधकर्ताओं ने पाया कि जैसे-जैसे नाभिक का तापमान बढ़ता है, कणों को साझा करने का तरीका गैर-रेखीय (नॉन-लीनियर) तरीके से बदलता है। बहुत कम तापमान पर, क्वांटम संबंध मजबूत होता है, जिससे कणों के वितरण के लिए परिणामों की एक विस्तृत श्रृंखला प्राप्त होती है। हालांकि, जैसे ही तापमान थोड़ा बढ़ता है, यह क्वांटम संबंध फीका पड़ने लगता है, और परिणामों की सीमा वास्तव में संकीर्ण हो जाती है। यह केवल तभी होता है जब तापमान इतना बढ़ जाता है कि ऊष्मा का यादृच्छिक प्रभाव हावी हो जाता है, जिससे कणों का वितरण फिर से चौड़ा हो जाता है। यह खोज परमाणु भौतिकी की एक लंबे समय से चली आ रही पहेली को समझाने में मदद करती है: क्यों प्रोटॉन की "विषम और सम" (odd and even) संख्याओं का पैटर्न, जो कम ऊर्जा पर बहुत स्पष्ट होता है, ऊर्जा बढ़ने पर गायब होने लगता है। टीम की गणना दर्शाती है कि यह पैटर्न तापमान बढ़ने के साथ लगभग रैखिक रूप से फीका पड़ता है, और प्रयोगशाला में प्रयोगकर्ताओं द्वारा देखे गए विशिष्ट ऊर्जा स्तर पर पूरी तरह से लुप्त हो जाता है।

एक अन्य प्रमुख निष्कर्ष दो उड़ते हुए टुकड़ों के बीच ऊर्जा के विभाजन से संबंधित है। जब एक नाभिक टूटता है, तो परिणामी टुकड़ों के पास अक्सर अलग-अलग मात्रा में बची हुई ऊर्जा होती है, जो उनके आकार के विरुद्ध प्लॉट किए जाने पर एक टेढ़ा-मेढ़ा, 'सॉटूथ' (sawtooth) जैसा पैटर्न बनाती है। यह पैटर्न सीधे तौर पर इस बात से जुड़ा है कि विभाजन के बाद कितने न्यूट्रॉन मुक्त होते हैं। नए सिमुलेशन दिखाते हैं कि यह सॉटूथ पैटर्न आश्चर्यजनक रूप से सुदृढ़ है। जैसे-जैसे नाभिक को उच्च तापमान तक गर्म किया जाता है, यह पैटर्न बना रहता है, हालांकि यह थोड़ा कम तीव्र हो जाता है। यह सुझाव देता है कि नाभिक की अंतर्निहित संरचना ऊष्मा के धुंधले प्रभावों का लंबे समय तक प्रतिरोध करती है, जैसा कि पिछले कुछ सिद्धांतों ने भविष्यवाणी की थी। शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि इन सटीक परिणामों को प्राप्त करने के लिए, उन्हें टुकड़ों के संवेग (मोमेंटम) को एक बहुत ही विशिष्ट तरीके से ध्यान में रखना पड़ा, यानी उनके गति से जुड़ी ऊर्जा को घटाकर टुकड़ों की वास्तविक आंतरिक ऊर्जा को देखना पड़ा।

इन परिणामों को प्राप्त करने के लिए उपयोग की गई विधि एक महत्वपूर्ण तकनीकी प्रगति है। टीम ने एक नया गणितीय ढांचा बनाया है जो एक गर्म नाभिक की जटिल और अव्यवस्थित अवस्था को विशिष्ट, स्पष्ट अवस्थाओं पर प्रोजेक्ट करने की अनुमति देता है जहाँ प्रत्येक टुकड़े में कणों की संख्या निश्चित होती है। यह कठिन है क्योंकि ऊष्मा आमतौर पर एक प्रणाली में कणों की संख्या में उतार-चढ़ाव लाती है, और अंतरिक्ष को विभाजित करने के क्वांटम नियम एक साथ लागू करना जटिल होता है। जटिल समाकल (इंटिग्रल्स) और क्वांटम अवस्था को तोड़ने के एक विशेष तरीके का उपयोग करके, वे आवश्यक क्वांटम विवरणों को खोए बिना विभिन्न परिणामों की संभावनाओं की गणना करने में सफल रहे। यह दृष्टिकोण न केवल प्लूटोनियम विखंडन की विशिष्ट समस्या को हल करता है, बल्कि एक सामान्य उपकरण भी प्रदान करता है जिसका उपयोग अन्य प्रणालियों के अध्ययन के लिए किया जा सकता है जहाँ क्वांटम एंटैंगलमेंट और ऊष्मा के बीच प्रतिस्पर्धा होती है।

इस कार्य के निहितार्थ केवल एक प्रकार के परमाणु तक सीमित नहीं हैं। ऊर्जा और कणों के साझाकरण की सटीक भविष्यवाणी करने की क्षमता परमाणु ऊर्जा उत्पादन की सुरक्षा और दक्षता में सुधार के लिए महत्वपूर्ण है। यह वैज्ञानिकों को उन विरल और कभी-कभी अपूर्ण डेटा की व्याख्या करने में भी मदद करता है जो प्रयोगों से एकत्र किए जाते हैं, जहाँ इन गुणों को सीधे मापना कठिन होता है। यह दिखाते हुए कि विषम-सम पैटर्न और सॉटूथ संरचनाएं पहले की तुलना में अधिक स्थायी हैं, यह अध्ययन परमाणु व्यवहार की भविष्यवाणी करने के लिए उपयोग किए जाने वाले मॉडलों को परिष्कृत करने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है। शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि हालांकि उनका कार्य इस बात पर केंद्रित है कि नाभिक के टूटने के बाद क्या होता है, लेकिन ऊर्जा साझा करने की प्रक्रिया (विभाजन से पहले) भी महत्वपूर्ण है, और उनका नया उपकरण अंततः इन प्रारंभिक चरणों की खोज करने में भी मदद कर सकता है। अंततः, यह कार्य हमें उस जटिल नृत्य को समझने के एक कदम करीब लाता है जो कणों और ऊर्जा के बीच होता है जब एक परमाणु का हृदय टूटता है।