Cold Hypersonic Gas Jets for Precision Laser Spectroscopy of Radioactive Molecules
यह शोध पत्र रेडियोधर्मी थोरियम मोनोऑक्साइड अणुओं को क्रमशः लगभग 12.5 K और 7.2 K के स्थानांतरीय (translational) और घूर्णन (rotational) तापमान तक ठंडा करने के लिए हाइपरसोनिक गैस जेट्स के पहले सफल अनुप्रयोग की रिपोर्ट करता है, जिससे उच्च-परिशुद्धता लेजर स्पेक्ट्रोस्कोपी सक्षम होती है जो परमाणु आवेश त्रिज्या (nuclear charge radii) के प्रति संवर्धित संवेदनशीलता को प्रकट करती है और अत्याधुनिक सापेक्षिक आणविक गणनाओं (relativistic molecular calculations) को मान्य करती है।
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पदार्थ के हृदय में गहराई में, जहाँ प्रोटॉन और न्यूट्रॉन मिलकर परमाणु नाभिक बनाते हैं, वहाँ एक सूक्ष्म विषमता मौजूद है जो ब्रह्मांड के बारे में हमारी समझ को फिर से लिख सकती है। भौतिकविदों को लंबे समय से संदेह रहा है कि इन कणों को नियंत्रित करने वाले मौलिक बल पूरी तरह से सममित नहीं हो सकते हैं, जिसे चार्ज-पैरिटी उल्लंघन (charge-parity violation) के रूप में जाना जाता है। यदि ऐसा उल्लंघन मौजूद है, तो यह नाभिक के भीतर धनात्मक और ऋणात्मक आवेश के एक सूक्ष्म, स्थायी अलगाव के रूप में प्रकट होगा, जिसे 'न्यूक्लियर शिफ मोमेंट' (nuclear Schiff moment) कहा जाता है। इस सूक्ष्म प्रभाव का पता लगाना अविश्वसनीय रूप से कठिन है क्योंकि नाभिक के चारों ओर के इलेक्ट्रॉन आमतौर पर इसे दृष्टि से ढंक देते हैं। हालाँकि, वैज्ञानिकों ने सिद्धांत दिया है कि यदि वे इन नाभिकों को कुछ विशिष्ट अणुओं के भीतर रख सकें, तो अणु के आंतरिक विद्युत क्षेत्र इस छिपे हुए संकेत को बढ़ा सकते हैं, जिससे यह संवेदनशील उपकरणों के लिए दृश्यमान हो सके। यह खोज केवल एक नए बल को खोजने के बारे में नहीं है; यह उस भौतिकी के लिए एक जांच है जो हमारे वर्तमान मानक मॉडल (standard model) से परे है, जो संभावित रूप से यह समझा सकती है कि ब्रह्मांड पदार्थ से बना है न कि प्रति-पदार्थ (antimatter) से। सफल होने के लिए, शोधकर्ताओं को इन अणुओं का अध्ययन तब करना होगा जब वे लगभग स्थिर हों, उन्हें परम शून्य से कुछ डिग्री ऊपर के तापमान तक ठंडा करना होगा ताकि उस तापीय शोर (thermal noise) को हटाया जा सके जो अन्यथा संकेत को दबा देगा।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इन ठंडे, रेडियोधर्मी अणुओं को बनाने और अध्ययन करने का एक नया तरीका प्रदर्शित करके इस लक्ष्य की ओर एक निर्णायक कदम उठाया है। बेल्जियम की एक सुविधा में काम करते हुए, वैज्ञानिकों ने थोरियम और ऑक्सीजन से बने अणुओं पर ध्यान केंद्रित किया, विशेष रूप से थोरियम के दुर्लभ, अल्पकालिक आइसोटोप वाले संस्करणों पर। उनकी चुनौती एक ठोस सामग्री के लक्ष्य को गैस के अणुओं में बदलना, और फिर उस गैस को इतनी तेज़ी से ठंडा करना थी कि अणु अपनी हलचल और अनियंत्रित स्पिन को रोक दें और एक शांत, अनुमानित अवस्था में स्थिर हो जाएं। इसे प्राप्त करने के लिए, उन्होंने एक विशेष नोजल, जिसे डी लावल नोजल (de Laval nozzle) के आकार का बनाया गया है, का उपयोग किया जो गैस को सुपरसोनिक गति तक त्वरित करता है। जैसे ही गैस इस नोजल से गुजरती है और निर्वात में फैलती है, यह नाटकीय रूप से ठंडी हो जाती है, ठीक वैसे ही जैसे संपीड़ित हवा की एक बौछार आपकी त्वचा पर लगने पर ठंडी महसूस होती है, लेकिन एक ऐसे पैमाने पर जहाँ अणु स्वयं अपनी लगभग सारी आंतरिक ऊष्मा खो देते हैं।
शोधकर्ताओं ने थोरियम ऑक्साइड अणुओं की एक धारा बनाना शुरू किया। उन्होंने थोरियम के एक लक्ष्य पर एक उच्च-शक्ति वाले लेजर का उपयोग किया, जिससे सामग्री वाष्पित हो गई और एक चैंबर में निकल आया जो आर्गन गैस से भरा हुआ था, जिससे गर्म परमाणुओं और अणुओं का एक बादल बन गया। इस बादल को फिर नोजल की ओर एक निरंतर प्रवाहित आर्गन प्रवाह द्वारा बहाया गया। जैसे ही मिश्रण नोजल से गुजरा, तीव्र विस्तार ने अणुओं को ठंडा कर दिया। टीम ने अणुओं की जांच करने के लिए लेजर के दूसरे सेट का उपयोग किया, प्रकाश को विशिष्ट आवृत्तियों पर चमकाया ताकि यह देखा जा सके कि वे ऊर्जा को कैसे अवशोषित करते हैं। इन लेजरों को सावधानीपूर्वक ट्यून करके और परिणामी संकेतों को मापकर, वे तीन अलग-अलग तरीकों से अणुओं के तापमान का निर्धारण कर सके: वे कितनी तेज़ी से आगे बढ़ रहे थे, वे कितनी तेज़ी से घूम रहे थे, और वे कितना कंपन कर रहे थे।
परिणाम चौंकाने वाले थे। अणुओं को लगभग 12.5 केल्विन के ट्रांसलेशनल तापमान तक ठंडा किया गया था, जो परम शून्य से लगभग 12.5 डिग्री ऊपर है। इससे भी अधिक प्रभावशाली बात यह थी कि उनकी घूमने की गति, या रोटेशन, को केवल 7.2 केल्विन तक ठंडा किया गया था। इस अत्यधिक ठंड का अर्थ था कि अणु अराजक रूप से नहीं लुढ़क रहे थे बल्कि एक बहुत ही व्यवस्थित तरीके से संरेखित थे, जिससे शोधकर्ता उनकी स्पेक्ट्रल रेखाओं को अभूतपूर्व स्पष्टता के साथ देख सके। हालांकि वे अणुओं के कंपन के सटीक तापमान को नहीं माप सके, लेकिन उन्होंने पाया कि अणु उत्तेजित अवस्थाओं में कंपन नहीं कर रहे थे, जिससे उस तापमान की ऊपरी सीमा 250 केल्विन निर्धारित हुई। शीतलन का यह स्तर पिछले तरीकों की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार है, जो अक्सर अणुओं को बहुत गर्म और अराजक छोड़ देते थे जिससे उनका विस्तृत अध्ययन करना कठिन होता था।
अणुओं के अब शांत और ठंडे होने के बाद, टीम यह मापने में सक्षम थी कि जब उन्होंने थोरियम के विभिन्न आइसोटोप का उपयोग किया तो अणुओं के ऊर्जा स्तरों में कैसे बदलाव आया। यह बदलाव, जिसे आइसोटोप शिफ्ट (isotope shift) कहा जाता है, नाभिक के आकार और आकृति के बारे में जानकारी देता है। अपने मापों की सैद्धांतिक गणनाओं के साथ तुलना करके, शोधकर्ताओं ने पाया कि अणु नाभिकीय आवेश त्रिज्या (nuclear charge radius) में परिवर्तनों के प्रति अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील थे। उन्होंने एक फील्ड शिफ्ट फैक्टर (field shift factor) निर्धारित किया जो एकल परमाणुओं में देखी जाने वाली मात्रा से काफी बड़ा था, जिससे पुष्टि हुई कि अणु वास्तव में इन नाभिकीय प्रभावों के लिए शक्तिशाली एम्पलीफायर के रूप में कार्य कर सकते हैं। प्रायोगिक डेटा उनकी जटिल कंप्यूटर सिमुलेशन के साथ अच्छी तरह मेल खाता था, जिसे टीम द्वारा किया गया था, जिसमें उन्होंने उन्नत क्वांटम यांत्रिकी का उपयोग करके यह भविष्यवाणी की थी कि इलेक्ट्रॉन और नाभिक एक-दूसरे के साथ कैसे परस्पर क्रिया करेंगे। वास्तविक दुनिया के मापों और सैद्धांतिक मॉडलों के बीच यह सहमति वैज्ञानिकों को विश्वास दिलाती है कि उनके उपकरण सही ढंग से काम कर रहे हैं और वे सही दिशा में हैं।
यह कार्य केवल एक तकनीकी सफलता नहीं है; यह आवर्त सारणी के सबसे भारी तत्वों के अध्ययन के लिए एक नया द्वार खोलता है। थोरियम ऑक्साइड जैसे रेडियोधर्मी अणुओं को बनाने और ठंडा करने की क्षमता का अर्थ है कि वैज्ञानिक अब इन सटीक लेजर तकनीकों को अन्य अल्पकालिक आइसोटोप पर लागू कर सकते हैं जिन्हें पहले संभालना बहुत कठिन था। शोधकर्ता इस पद्धति का उपयोग और भी अधिक विलक्षण अणुओं के अध्ययन के लिए करने की योजना बना रहे हैं, जिसमें संभावित रूप से नोबेलियम या लॉरेंसियम जैसे तत्व शामिल हैं, जो क्षय होने से पहले केवल क्षणों के लिए अस्तित्व में रहते हैं। इन क्षणिक अणुओं को ठंडा करने की कला में महारत हासिल करके, टीम ने प्रयोगों की एक नई पीढ़ी के लिए आधार तैयार किया है जो अंततः परमाणु नाभिक के भीतर छिपे समरूपता के सूक्ष्म उल्लंघनों को प्रकट कर सकते हैं, जिससे हमें अपने ब्रह्मांड को नियंत्रित करने वाले मौलिक नियमों को समझने के करीब लाया जा सके।
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