जेफरसन लॅबच्या प्रयोगाने अणुगटिंगचा नियम अधिक स्पष्ट केला

अणुकेंद्रे स्वतःला कशी मांडतात याची अधिक स्वच्छ चाचणी

अमेरिकेच्या ऊर्जा विभागाच्या थॉमस जेफरसन नॅशनल अॅक्सेलरेटर फॅसिलिटीमधील भौतिकशास्त्रज्ञांनी अणु भौतिकशास्त्रातील एका दीर्घकालीन प्रश्नाबाबत नवा सूचक इशारा दिला आहे: एखाद्या अणुकेंद्रात कोणते प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन थोड्या वेळासाठी एकमेकांना जवळ, उच्च-संवेगाच्या जोड्यांमध्ये बांधतात, हे ठरवते कोण?

Nature मध्ये प्रकाशित झालेले हे काम तथाकथित शॉर्ट-रेंज करेलेशन्स, म्हणजेच SRCs, यांवर केंद्रित आहे. हे न्यूक्लिऑन्समधील क्षणभंगुर जोड्या आहेत, ज्या काही प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन साध्या अणुकेंद्राच्या चित्रात अपेक्षित असण्यापेक्षा खूप जलद का हालचाल करतात, हे समजावून सांगण्यात मदत करतात. SRCs केवळ अणु रचना समजण्यासाठीच नाहीत, तर दाट अणु वातावरण प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन यांच्या अंतर्गत क्वार्क संरचनेवर परिणाम करतात का, हे तपासण्यासाठीही महत्त्वाचे ठरले आहेत.

पूर्वीच्या प्रयोगांनी आधीच एक नमुना दाखवला होता: ज्या अणुकेंद्रांत न्यूट्रॉन जास्त असतात, तिथे अशा घट्ट सहसंबंधित जोड्यांमध्ये भाग घेणारे प्रोटॉनही अधिक असतात. पण त्या व्यापक प्रवृत्तीने एक मुख्य समस्या उघडी ठेवली होती. प्रोटॉन, न्यूट्रॉन आणि एकूण वस्तुमान हे सर्व एकाच वेळी बदलत असताना, परिणाम प्रत्यक्षात कोणत्या चलामुळे घडतो हे ओळखणे कठीण होते.

नवीन अभ्यास ही संदिग्धता कमी करण्यासाठी रचला गेला. काळजीपूर्वक निवडलेल्या अणुकेंद्रांची तुलना करून, संशोधकांनी जोड तयार होण्यासाठी आणखी एक अट वेगळी ओळखल्याचे सांगितले: शेल संरचना, जी ठरवते की प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन कोणत्या क्वांटम अवस्था व्यापू शकतात.

अणुकेंद्रांची निवड का महत्त्वाची होती

स्रोताच्या वर्णनानुसार, संघाने कॅल्शियम-40, कॅल्शियम-48 आणि लोखंड-54 यांच्यातील एक विशेष “CaFe” तुलना वापरली. या अणुकेंद्रांमुळे संशोधकांना न्यूट्रॉन संख्या आणि प्रोटॉन संख्या पूर्वीच्या अभ्यासांपेक्षा अधिक नियंत्रित पद्धतीने बदलता आली.

कॅल्शियम-40 मध्ये 20 प्रोटॉन आणि 20 न्यूट्रॉन असतात. कॅल्शियम-48 मध्ये प्रोटॉनांची संख्या तशीच राहते, पण आठ न्यूट्रॉन वाढतात. लोखंड-54, कॅल्शियम-48 च्या तुलनेत सहा प्रोटॉन वाढवते, आणि तुलना करण्यासाठी उपयुक्त असे एकूण वस्तुमानाचे नाते तसेच ठेवते. या मांडणीमुळे संशोधकांना असा प्रश्न विचारता आला की न्यूट्रॉन-समृद्ध अणुकेंद्रांत दिसणारे जादा प्रोटॉन-न्यूट्रॉन जुळणे हे केवळ संख्यांचे प्रकरण आहे का, की कणांची शेलमध्ये होणारी क्वांटम मांडणीही महत्त्वाची आहे.

स्रोत मजकुरानुसार, निष्कर्ष असा की शेल संरचना निर्णायक भूमिका बजावते. दुसऱ्या शब्दांत, प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन SRC जोड्या तयार करतील की नाही, हे केवळ अणुकेंद्रात प्रोटॉन जास्त आहेत की न्यूट्रॉन जास्त, यावर ठरत नाही. हे न्यूक्लिऑन्स अणूच्या शेल-मॉडेल संरचनेत कुठे आहेत, यावरही अवलंबून असते.

त्यामुळे हा निष्कर्ष केवळ एक टप्प्याटप्प्याचा सांख्यिकीय बदल न राहता, अणुकेंद्रांच्या आत असलेल्या एका संरचनात्मक नियमानकडे निर्देश करतो, ज्याचा सिद्धांतकारांना आता अधिक स्पष्टपणे विचार करावा लागेल.

शॉर्ट-रेंज करेलेशन्स काय उलगडतात

शॉर्ट-रेंज करेलेशन्स असामान्य आहेत, कारण त्या साधारणपणे विस्तृत सरासरी अणु क्षेत्रात हालणाऱ्या कणांचे वर्णन करतात, पण कधी कधी त्या इतक्या तीव्रपणे परस्परक्रिया करतात की लहान, तात्पुरत्या जोड्या तयार होतात. या जोड्यांमध्ये एक प्रोटॉन आणि एक न्यूट्रॉन, दोन प्रोटॉन किंवा दोन न्यूट्रॉन असू शकतात, तरी पूर्वीच्या अभ्यासांत प्रोटॉन-न्यूट्रॉन जोड्या विशेष महत्त्वाच्या राहिल्या आहेत.

SRC संशोधनाने अणुकेंद्रांबद्दल शास्त्रज्ञ विचार करतात ती पद्धत आधीच बदलली आहे. याने उच्च-संवेग न्यूक्लिऑन्सची उपस्थिती समजावून सांगण्यास मदत केली, दाट स्थानिक परस्परक्रिया कशा उदयास येतात याचे धागे दिले, आणि त्या अत्यंत स्थानिक वातावरणांचा कणांवरच परिणाम होतो का, हा प्रश्न उघडला.

जेफरसन लॅबचा निष्कर्ष या चित्रात एक नवी पातळी जोडतो. जर शेल संरचनेचा जोड निवडीवर परिणाम होत असेल, तर अणू हा फक्त संख्यांच्या हिशेबाला प्रतिसाद देणाऱ्या कणांचा ढीग नाही. त्याची क्वांटम रचना कोणते कण योग्य प्रकारे जवळ येऊन जोड्या बनवू शकतात, यावर मर्यादा घालते.

न्यूक्लिऑन्सचे सूक्ष्म वर्तन पदार्थाच्या एकूण गुणधर्मांशी जोडू पाहणाऱ्या अणु मॉडेल्ससाठी हे महत्त्वाचे आहे. न्यूट्रॉन-समृद्ध प्रणालींसाठीच्या गणनांमध्येही याचा उपयोग होऊ शकतो, जिथे प्रोटॉन-न्यूट्रॉन असमतोल मोठा असतो आणि शेल परिणाम ठळक असू शकतात.

उत्तम मोजमापासाठी “मॅजिक” मार्ग

स्रोत मजकुरात संशोधकांनी “मॅजिक न्यूक्लिआई”वर अवलंबून असल्याचे नमूद केले आहे, हा अणु भौतिकशास्त्रात विशेष स्थिर शेल संरचनेच्या अणुकेंद्रांसाठी वापरला जाणारा शब्द आहे. अशा प्रणाली उत्तम बेंचमार्क देतात, कारण त्यांचे भरलेले शेल तुलना सुलभ करतात आणि संरचनात्मक परिणाम वेगळे ओळखणे सोपे जाते.

प्रत्यक्षात, यामुळे संघाला पूर्वीच्या प्रयोगांच्या मर्यादांपलीकडे जाण्याचा मार्ग मिळाला, जिथे वस्तुमान आणि प्रोटॉन-न्यूट्रॉन गुणोत्तर एकाच वेळी बदलत होते. येथे तुलना अधिक घट्ट होती, त्यामुळे शेल परिणाम अधिक स्पष्ट दिसला.

या प्रयोगात इलेक्ट्रॉन स्कॅटरिंगचा वापर करण्यात आला, ज्यात येणारे इलेक्ट्रॉन आभासी फोटॉन्स उत्सर्जित करतात आणि अणुकेंद्रांतून प्रोटॉन बाहेर फेकले जातात. SRCs शी संबंधित उच्च-संवेग संरचनांमध्ये न्यूक्लिऑन्स किती वेळा आढळतात, हे उलगडण्यासाठी ही पद्धत अणुपदार्थाच्या अंतर्गत गतीशीलतेचा अभ्यास करण्याची मानक आणि प्रभावी पद्धत आहे.

अचूक मोजमापांना मुद्दाम निवडलेल्या अणु लक्ष्यांसोबत जोडून, संघाने जुने स्पष्टीकरण अपूर्ण होते, हे दाखवले. सापेक्ष संख्या अजूनही महत्त्वाच्या आहेत, पण त्या पूर्ण कथा नाहीत.

एका प्रयोगापलीकडे हे का महत्त्वाचे आहे

अणु भौतिकशास्त्र बहुतेकदा याच प्रकारच्या संकुचन प्रक्रियेतून पुढे जाते. प्रथम व्यापक नमुने दिसतात; नंतर अधिक नियंत्रित तुलना लपलेले चल ओळखतात. नव्या निष्कर्षाचे महत्त्व म्हणजे तो अणुकेंद्रांच्या मूलभूत घटकांचे अतिजवळीकमध्ये वर्तन कसे असते, याचे नियम अधिक तीक्ष्ण करतो.

हे त्या सिद्धांतकारांसाठी महत्त्वाचे आहे, जे अणुपदार्थाची अधिक भाकितक्षम मॉडेल्स तयार करू इच्छितात, विशेषतः जिथे शेल परिणाम आणि कण असमतोल दोन्ही एकत्र असतात. एकाच वेळी अनेक समस्थानिकांचा सर्व्हे करून नीट उत्तर न मिळणाऱ्या प्रश्नांची तपासणी करण्यासाठी निवडक मानक अणुकेंद्रांचा वापर करण्याचा मुद्दाही यामुळे बळकट होतो.

सध्या मुख्य निष्कर्ष सरळ आहे: अणुकेंद्रांतील प्रोटॉन-न्यूट्रॉन जुळणी केवळ तिथे किती प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन आहेत यावरच नाही, तर त्यांना संघटित करणाऱ्या क्वांटम शेल संरचनेवरही अवलंबून असते. त्यामुळे भौतिकशास्त्रज्ञांना अणुकेंद्राच्या सर्वात अवघड वर्तनांपैकी एका साठी अधिक नेमका नियमसंग्रह मिळतो.

हा लेख Phys.org च्या वार्तांकनावर आधारित आहे. मूळ लेख वाचा.