Constraining Nuclear Matter from Finite Nuclei: the Ab Initio Perspective

ब्रह्मांड हवा से लेकर रात के आकाश में जलते सितारों तक, कई रूपों में पदार्थ से भरा हुआ है। लेकिन पदार्थ की एक ऐसी अवस्था है जो इतनी सघन है कि यह केवल मृत सितारों के हृदय में या भारी परमाणुओं के केंद्र में मौजूद होती है, और इसे नाभिकीय पदार्थ (न्यूक्लियर मैटर) कहा जाता है। कल्पना कीजिए कि आप इस पदार्थ का एक छोटा चम्मच लें; तो इसका वजन एक पहाड़ के बराबर होगा। यह अत्यधिक घनत्व न्यूट्रॉन सितारों के कोर में पाया जाता है, जो विशाल सितारों के फटने के बाद बचे हुए ढहे हुए अवशेष हैं। ये तारे अपने स्वयं के गुरुत्वाकर्षण के दमनकारी बल के विरुद्ध कैसे बने रहते हैं, इसे समझने के लिए वैज्ञानिकों को नाभिकीय पदार्थ को नियंत्रित करने वाले नियमों को समझना होगा। ये नियम एक 'इक्वेशन ऑफ स्टेट' (अवस्था का समीकरण) नामक चीज़ में लिखे गए हैं, जो यह बताता है कि घनत्व बदलने के साथ तारे के भीतर दबाव कैसे बदलता है। हालांकि हम प्रयोगशाला में न्यूट्रॉन तारा नहीं बना सकते, लेकिन हम इस पदार्थ के निर्माण खंडों—प्रोटॉन और न्यूट्रॉन—का अध्ययन कर सकते हैं, जो हमारे आसपास की दुनिया बनाने वाले परमाणुओं के भीतर होते हैं। इन परमाणुओं के व्यवहार को देखकर, वैज्ञानिक ब्रह्मांड के सबसे घने पदार्थ के रहस्यों को खोलने की आशा करते हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में इस समस्या को देखने के दो अलग-अलग तरीकों को एक स्पष्ट तस्वीर प्राप्त करने के लिए एक साथ लाया है। एक तरफ, प्रकृति में पाए जाने वाले भारी परमाणु हैं, जैसे लेड (सीसा) और कैल्शियम, जिनमें प्रोटनों और न्यूट्रॉनों की एक विशिष्ट संख्या होती है। दूसरी ओर, वे सैद्धांतिक उपकरण हैं जिनका उपयोग तब किया जाता है जब आपके पास इन कणों की अनंत मात्रा एक साथ पैक होती है। वैज्ञानिकों ने "एब इन्निटियो" (ab initio) गणना नामक एक शक्तिशाली दृष्टिकोण का उपयोग किया, जिसका अर्थ है कि उन्होंने कणों के बीच के बहुत ही बुनियादी बलों से शुरुआत की और बिना किसी शॉर्टकट या अनुमान के पूरे तंत्र का वर्णन तैयार किया। उन्होंने तीन विशिष्ट चीजों पर ध्यान केंद्रित किया जिन्हें प्रयोगशाला में मापा जा सकता है: कैसे कुछ भारी परमाणुओं के बाहरी हिस्से पर अतिरिक्त न्यूट्रॉनों की एक परत बनती है, कैसे एक चुंबकीय क्षेत्र द्वारा परमाणु के भीतर के विद्युत आवेश को आसानी से खींचा जा सकता है, और दबने पर परमाणु कैसे कंपन करता है। ये माप सुरागों की तरह काम करते हैं जो न्यूट्रॉन सितारों में पाए जाने वाले अनंत नाभिकीय पदार्थ के गुणों की ओर संकेत करते हैं।

शोधकर्ताओं ने पाया कि न्यूट्रॉन की परत की मोटाई, जिसे अक्सर 'न्यूट्रॉन स्किन' कहा जाता है, सीधे तौर पर इस बात से जुड़ी है कि नाभिकीय पदार्थ कितना सख्त (stiff) है। यदि पदार्थ बहुत सख्त है, तो यह अतिरिक्त न्यूट्रॉनों को किनारे की ओर धकेलता है, जिससे एक मोटी त्वचा (स्किन) बन जाती है। यदि यह नरम है, तो न्यूट्रॉन केंद्र के करीब रहते हैं। अपने नए गणनाओं की तुलना लेड और कैल्शियम परमाणुओं में इस स्किन की मोटाई को मापने वाले हालिया प्रयोगों के साथ करके, टीम ने नाभिकीय पदार्थ की कठोरता के संभावित मूल्यों को सीमित करने में सफलता प्राप्त की। उन्होंने पाया कि उनकी गणनाएँ एक ऐसी तस्वीर का समर्थन करती हैं जहाँ पदार्थ अपेक्षाकृत नरम है, जो कुछ पुरानी धारणाओं का खंडन करती है जो सुझाव देती थीं कि यह बहुत अधिक सख्त था। यह निष्कर्ष महत्वपूर्ण है क्योंकि एक नरम 'इक्वेशन ऑफ स्टेट' का तात्पर्य यह है कि न्यूट्रॉन तारे पहले के कुछ मॉडलों की तुलना में छोटे और कम द्रव्यमान के हो सकते हैं।

पहेली का एक अन्य प्रमुख हिस्सा 'इलेक्ट्रिक डायपोल पोलराइजेबिलिटी' है, जो यह मापता है कि परमाणु के भीतर धनात्मक प्रोटॉन और तटस्थ न्यूट्रॉन एक-दूसरे से कितनी आसानी से अलग किए जा सकते हैं। टीम ने दिखाया कि यह गुण उसी कठोरता पैरामीटर से मजबूती से जुड़ा हुआ है जो न्यूट्रॉन स्किन को नियंत्रित करता है। उनकी गणना कैल्शियम परमाणुओं के नए प्रयोगात्मक डेटा के साथ अच्छी तरह मेल खाती है, जो इस विचार को पुख्ता करती है कि नाभिकीय पदार्थ कुछ पुराने सिद्धांतों की तुलना में उतना कठोर नहीं है। जब उन्होंने न्यूट्रॉन स्किन और पोलराइजेबिलिटी के डेटा को मिलाया, तो परिणामों ने 'सिमेट्री एनर्जी' (सममिति ऊर्जा) के एक विशिष्ट दायरे की ओर इशारा किया, जो एक ऐसा मान है जो यह बताता है कि प्रोटॉन को न्यूट्रॉन में बदलने में कितनी ऊर्जा खर्च होती है। यह सीमा उन गुरुत्वाकर्षण तरंगों के अवलोकनों के अनुरूप है जो दो न्यूट्रॉन सितारों के आपस में टकराने पर पता चली थीं, जो यह सुझाव देती है कि सूक्ष्म परमाणु को नियंत्रित करने वाले भौतिकी के नियम और विशाल तारे के नियम वास्तव में एक ही हैं।

अध्ययन ने यह भी देखा कि नाभिकीय पदार्थ को दबाना कितना कठिन है, जो कि 'इनकंप्रेसिबिलिटी' (असंपीड्यता) नामक एक गुण है। परमाणुओं के एक विशिष्ट "ब्रीदिंग मोड" (सांस लेने वाले मोड) में कंपन का विश्लेषण करके, शोधकर्ताओं ने इस मान का अनुमान लगाया। उनके परिणाम, जो प्रथम सिद्धांतों (first principles) से प्राप्त हुए हैं, इस पिछले प्रस्तावित मान के निचले स्तर पर हैं। यह 'हैवी-आयन कोलिजन' (भारी-आयन टकराव) के डेटा के साथ मेल खाता है, जहाँ वैज्ञानिक अस्थायी रूप से घने पदार्थ की अवस्थाएँ बनाने के लिए परमाणुओं को आपस में टकराते हैं। विभिन्न विधियों के बीच यह सहमति—स्थिर परमाणुओं, अनंत पदार्थ के सिमुलेशन और ब्रह्मांडीय टकरावों को देखना—वैज्ञानिकों को विश्वास दिलाती है कि वे नाभिकीय पदार्थ की वास्तविक प्रकृति के करीब पहुँच रहे हैं।

हालांकि तस्वीर स्पष्ट हो रही है, शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि अभी भी काम किया जाना बाकी है। न्यूट्रॉन स्किन को मापने वाले प्रयोग अविश्वसनीय रूप से कठिन हैं, और विभिन्न तरीकों से प्राप्त परिणाम कभी-कभी असहमत होते हैं। टीम ने उल्लेख किया कि भविष्य के प्रयोग, जो इन गुणों को मापने के लिए और भी सटीक तकनीकों का उपयोग करेंगे, इन शेष प्रश्नों को सुलझाने के लिए महत्वपूर्ण होंगे। उन्होंने यह भी रेखांकित किया कि उनके सैद्धांतिक तरीके लगातार सुधर रहे हैं, जिससे उन्हें पहले से कहीं अधिक भारी और जटिल परमाणुओं को संभालने की अनुमति मिल रही है। अंतिम लक्ष्य 'इक्वेशन ऑफ स्टेट' की पूर्ण और सटीक समझ प्राप्त करना है, जो खगोलविदों को न्यूट्रॉन सितारों के आकार और व्यवहार की निश्चितता के साथ भविष्यवाणी करने में सक्षम बनाएगा। प्रयोगशाला और सितारों के बीच के अंतर को पाटकर, यह कार्य हमें ब्रह्मांड को आकार देने वाले मौलिक बलों को समझने के एक कदम और करीब लाता है।