Shape coexisting intruder states in even Sn isotopes and their influence on the $B_{4/2}<1$ anomaly

प्रत्येक परमाणु के हृदय में गहराई में एक नाभिक होता है, जो प्रोटॉन और न्यूट्रॉन का एक सघन समूह है, जो मिट्टी की एक स्थिर गेंद की तरह कम और तरल की एक बूंद की तरह अधिक व्यवहार करता है जिसे खींचा, दबाया और कंपन किया जा सकता है। दशकों से, भौतिकविदों ने इन सूक्ष्म केंद्रों का अध्ययन किया है ताकि यह समझ सकें कि वे कैसे एक साथ जुड़े रहते हैं और कैसे अपना आकार बदलते हैं। इस क्षेत्र में सबसे आकर्षक पहेलियों में से एक उन परमाणुओं से जुड़ी है जो एक ही समय में दो अलग-अलग आकारों में मौजूद प्रतीत होते हैं। कल्पना कीजिए कि एक नाभिक जो एक बिलियर्ड बॉल की तरह पूरी तरह गोल हो सकता है, और फिर बिना कणों की संख्या बदले अचानक एक फुटबॉल के आकार में खिंच सकता है। यह घटना, जिसे 'शेप कोएक्सिस्टेंस' (आकार सह-अस्तित्व) के रूप में जाना जाता है, इस बात को चुनौती देती है कि पदार्थ सूक्ष्म स्तरों पर खुद को कैसे व्यवस्थित करता है। वैज्ञानिक टिन आइसोटोप नामक परमाणुओं के एक विशिष्ट परिवार पर ध्यान केंद्रित करते हैं क्योंकि वे उदाहरणों की एक लंबी, स्थिर श्रृंखला प्रदान करते हैं जहाँ इन आकार परिवर्तनों को देखा और मापा जा सकता है। इन परमाणुओं के अपने विभिन्न आकारों के बीच संक्रमण का अध्ययन करके, शोधकर्ता उन मौलिक नियमों को उजागर करने की आशा करते हैं जो समस्त पदार्थ की संरचना को नियंत्रित करते हैं।

हाल ही में किए गए एक अध्ययन में, भौतिकविदों की एक टीम ने टिन परमाणुओं के एक विशिष्ट समूह की ओर अपना ध्यान केंद्रित किया, जो द्रव्यमान संख्या 114 वाले हल्के संस्करणों से लेकर द्रव्यमान संख्या 122 वाले भारी संस्करणों तक विस्तृत है। वे विशेष रूप से इन परमाणुओं में से कुछ में रिपोर्ट की गई एक अजीब विसंगति (anomaly) में रुचि रखते थे: एक ऐसा माप जिसने सुझाव दिया कि नाभिक एक ऐसे तरीके से व्यवहार कर रहा था जो मानक अपेक्षाओं को चुनौती देता है। विशेष रूप से, जब ये परमाणु एक ऊर्जा स्तर से दूसरे स्तर पर कूदते थे, तो कूदने की संभावना उस सुचारू पैटर्न का पालन नहीं करती थी जो अन्य तत्वों में देखी जाती है। इसके बजाय, संख्याएँ एक महत्वपूर्ण सीमा से नीचे गिर गईं, जिससे संकेत मिला कि परमाणु की आंतरिक संरचना उतनी नाटकीय रूप से बदल रही है जितनी कि किसी ने भविष्यवाणी नहीं की थी। इस रहस्य को सुलझाने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक गणितीय मॉडल बनाया जो नाभिक को व्यक्तिगत कणों के संग्रह के रूप में नहीं, बल्कि ऊर्जा के परिदृश्य (landscape) के माध्यम से गति करने वाली एक एकल वस्तु के रूप में मानता है। उन्होंने इस परिदृश्य की कल्पना एक घाटी के रूप में की जिसमें दो अलग-अलग गड्ढे या कुएं (wells) हैं। एक गड्ढा एक गोल, गोलाकार आकार का प्रतिनिधित्व करता है, जबकि दूसरा एक खिंचे हुए, विकृत आकार का प्रतिनिधित्व करता है। नाभिक या तो किसी भी गड्ढे में स्थिर हो सकता है, या वह दोनों का मिश्रण भी हो सकता है।

शोधकर्ताओं ने इस 'डबल-वेल लैंडस्केप' का उपयोग करके टिन परमाणुओं के व्यवहार का अनुकरण (simulate) किया, और इन दो गड्ढों की गहराई और चौड़ाई को सावधानीपूर्वक समायोजित करके यह देखने के लिए घाटी के आकार को बदला कि क्या वे प्रयोगशालाओं में मापे गए वास्तविक ऊर्जा स्तरों से मेल खा सकते हैं। उन्होंने पाया कि इन दो गड्ढों की गहराई और चौड़ाई को बारीकी से ट्यून करके, उनका मॉडल विभिन्न टिन आइसोटोप के लिए प्रयोगात्मक डेटा से सटीक रूप से मेल खा सकता है। सिमुलेशन से पता चला कि समूह के हल्के और भारी परमाणु, जैसे कि द्रव्यमान संख्या 114 और 122 वाले परमाणु, बीच के परमाणुओं की तुलना में काफी अलग व्यवहार करते हैं। हल्के परमाणुओं में, नाभिक लगभग गोल आकार से शुरू होता है, लेकिन जैसे-जैसे यह ऊर्जा प्राप्त करता है और तेजी से घूमता है, यह एक अत्यधिक खिंचे हुए आकार में अचानक और नाटकीय बदलाव से गुजरता है। संरचना में इस अचानक परिवर्तन का अर्थ है कि गोल अवस्था का तरंग (wave) और खिंचे हुए अवस्था के तरंग के बीच ओवरलैप अच्छी तरह से नहीं होता है। क्योंकि ये दो आकार इतने भिन्न हैं, परमाणु को उनके बीच संक्रमण करने में संघर्ष करना पड़ता है, जिसके परिणामस्वरूप असामान्य रूप से कम संभाव्यता मान प्राप्त होते हैं, जिसने वैज्ञानिकों को उलझा दिया था।

द्रव्यमान संख्या 120 और 122 वाले भारी परमाणुओं के लिए, स्थिति थोड़ी भिन्न है लेकिन एक समान परिणाम की ओर ले जाती है। यहाँ, नाभिक एक ऐसी अवस्था में मौजूद होता है जहाँ गोल और खिंचे हुए आकार लगभग समान रूप से संभावित होते हैं, जो एक विभाजित व्यक्तित्व (split personality) बनाता है जहाँ परमाणु एक ही समय में दो बहुत ही अलग विन्यासों में होता है। यह द्वैतता भी ऊर्जा स्तरों के बीच संक्रमण को बाधित करती है, जिससे संभाव्यता उसी निम्न सीमा के पास गिर जाती है। समूह के बीच के परमाणु, द्रव्यमान संख्या 116 और 118 के साथ, अधिक मिश्रित व्यवहार दिखाते हैं जहाँ दोनों आकार अधिक सुचारू रूप से विलीन हो जाते हैं, जिससे संभाव्यता की तीव्र गिरावट से बचा जा सके। अध्ययन ने यह भी देखा कि ये आकार एक-दूसरे के साथ कैसे मिश्रित होते हैं। कुछ मामलों में, गोल और खिंचे हुए विन्यास अलग और स्पष्ट रहते हैं, जिसे 'शेप कोएएक्सिस्टेंस विदाउट मिक्सिंग' (मिश्रण के बिना आकार सह-अस्तित्व) कहा जाता है। अन्य मामलों में, वे एक साथ मिल जाते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि इन आकारों के मिलने या अलग रहने का विशिष्ट तरीका ही ऊर्जा स्तरों के बीच संक्रमण की शक्ति को निर्धारित करता है।

अपने मॉडल को वास्तविक दुनिया के डेटा के साथ सफलतापूर्वक मिलाने के बाद, टीम ने असामान्य मापों की एक स्पष्ट व्याख्या प्रदान की। उन्होंने प्रदर्शित किया कि संक्रमण संभाव्यता में अजीब गिरावट एक यादृच्छिक त्रुटि या टूटे हुए सिद्धांत का संकेत नहीं है, बल्कि नाभिक के बहुत तेज़ी से आकार बदलने या एक साथ दो विरोधाभासी आकारों में मौजूद होने का सीधा परिणाम है। अध्ययन इस बात की पुष्टि करता है कि इन टिन परमाणुओं की ग्राउंड स्टेट्स (आधार अवस्थाएं) लगभग गोलाकार हैं, जबकि उनकी एक्साइटेड स्टेट्स (उत्तेजित अवस्थाएं) अच्छी तरह से विकृत हैं। इस विसंगति की कुंजी उस अवस्था में निहित है जहाँ मुख्य समूह में परमाणु का स्पिन (घूर्णन) उच्चतम होता है, जो गोल और खिंचे हुए संसारों के बीच एक सेतु (bridge) के रूप में कार्य करता है। जब यह सेतु दो बहुत ही अलग आकारों की नींव पर बनाया जाता है, तो संबंध कमजोर हो जाता है, और संक्रमण संभाव्यता गिर जाती है। यह कार्य बताता है कि तत्वों की एक श्रृंखला में परमाणु आकार कैसे विकसित होते हैं, यह दिखाते हुए कि परमाणु नाभिक को थामे रखने वाले बलों की हमारी समझ को नया आकार देते हुए, केवल कुछ कण जोड़ने से परमाणु नाभिक की आंतरिक वास्तुकला नाटकीय रूप से बदल सकती है।