परमाणु आकृतियों को चूर-चूर करके उनका चित्रण करना

“इस नए माप में, हम न केवल नाभिक के समग्र आकार को मापते हैं – चाहे वह फुटबॉल की तरह लम्बा हो या कीनू की तरह कुचला हुआ हो – बल्कि सूक्ष्म त्रिअक्षीयता, इसके तीन सिद्धांत अक्षों के बीच सापेक्ष अंतर जो एक आकार की विशेषता बताते हैं ‘फुटबॉल’ और ‘टेंजेरीन’ के बीच में,” स्टोनी ब्रुक यूनिवर्सिटी (एसबीयू) के प्रोफेसर जियानगयोंग जिया ने कहा, जिनकी ब्रुकहेवन लैब में संयुक्त नियुक्ति है और वह स्टार सहयोग प्रकाशन के प्रमुख लेखकों में से एक हैं।

परमाणु आकृतियों को समझना भौतिकी के प्रश्नों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए प्रासंगिक है, जिसमें परमाणु विखंडन में कौन से परमाणुओं के विभाजित होने की सबसे अधिक संभावना है, न्यूट्रॉन सितारों की टक्कर में भारी परमाणु तत्व कैसे बनते हैं, और कौन से नाभिक विदेशी कण क्षय खोजों का रास्ता दिखा सकते हैं। परमाणु आकृतियों के बेहतर ज्ञान का लाभ उठाने से वैज्ञानिकों की कण सूप की प्रारंभिक स्थितियों की समझ भी गहरी हो जाएगी जो प्रारंभिक ब्रह्मांड की नकल करती है, जो आरएचआईसी के ऊर्जावान कण स्मैशअप में बनाई गई है। इस विधि को आरएचआईसी से अतिरिक्त डेटा के साथ-साथ यूरोप के लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (एलएचसी) में परमाणु टकराव से एकत्र किए गए डेटा का विश्लेषण करने के लिए लागू किया जा सकता है। ब्रुकहेवन लैब में डिजाइन चरण में एक परमाणु भौतिकी सुविधा, इलेक्ट्रॉन-आयन कोलाइडर में नाभिक के भविष्य के अन्वेषणों के लिए भी इसकी प्रासंगिकता होगी।

अंततः, चूंकि 99.9% दृश्य पदार्थ जिससे लोग और ब्रह्मांड के सभी तारे और ग्रह बने हैं, परमाणुओं के केंद्र में नाभिक में रहते हैं, इन परमाणु निर्माण खंडों को समझना यह समझने का मूल है कि हम कौन हैं।

जिया ने कहा, “आरएचआईसी में प्राप्त परमाणु भौतिकी ज्ञान की मजबूती को प्रदर्शित करने का सबसे अच्छा तरीका यह दिखाना है कि हम प्रौद्योगिकी और भौतिकी अंतर्दृष्टि को अन्य क्षेत्रों में लागू कर सकते हैं।” “अब जब हमने परमाणु संरचना की छवि बनाने का एक मजबूत तरीका प्रदर्शित कर लिया है, तो इसके कई अनुप्रयोग होंगे।”

लंबे एक्सपोज़र से लेकर फ़्रीज़-फ़्रेम स्नैपशॉट तक

दशकों तक, वैज्ञानिकों ने परमाणु आकृतियों का अनुमान लगाने के लिए कम-ऊर्जा प्रयोगों का उपयोग किया – उदाहरण के लिए, नाभिक को उत्तेजित करके और नाभिक के क्षय के दौरान उत्सर्जित होने वाले फोटॉन, या प्रकाश के कणों का अवलोकन करके, जो वापस जमीनी अवस्था में आ जाते हैं। यह विधि नाभिक के अंदर प्रोटॉन की समग्र स्थानिक व्यवस्था की जांच करती है, लेकिन केवल अपेक्षाकृत लंबे समय के पैमाने पर।

“कम-ऊर्जा प्रयोगों में, यह एक लंबी-एक्सपोज़र तस्वीर लेने जैसा है,” वेन स्टेट यूनिवर्सिटी के सिद्धांतकार चुन शेन ने कहा, जिनकी गणना नए विश्लेषण में उपयोग की गई थी।

चूँकि एक्सपोज़र का समय लंबा है, कम-ऊर्जा विधियाँ प्रोटॉन की व्यवस्था में सभी सूक्ष्म बदलावों को पकड़ नहीं पाती हैं जो बहुत तेज़ समय के पैमाने पर एक नाभिक के अंदर हो सकते हैं। और क्योंकि इनमें से अधिकांश विधियाँ विद्युत चुम्बकीय अंतःक्रियाओं का उपयोग करती हैं, वे नाभिक में अनावेशित न्यूट्रॉन को सीधे “देख” नहीं सकते हैं।

मिशिगन स्टेट यूनिवर्सिटी में विज्ञान उपयोगकर्ता सुविधा के डीओई कार्यालय, रेयर आइसोटोप बीम्स सुविधा के कम-ऊर्जा सिद्धांतकार डीन ली ने कहा, “आपको केवल पूरे सिस्टम का औसत मिलता है।” हालाँकि ली और शेन अध्ययन के सह-लेखक नहीं हैं, लेकिन उन्होंने और अन्य सिद्धांतकारों ने इस नई परमाणु इमेजिंग पद्धति को विकसित करने में योगदान दिया है।

“उच्च-ऊर्जा इमेजिंग विधि, जो कई फ़्रीज़-फ़्रेम स्नैपशॉट को कैप्चर करती है जो प्रोटॉन और न्यूट्रॉन दोनों के बारे में जानकारी प्रकट करती है, बहुत तेज़ है,” एसबीयू के पूर्व पोस्टडॉक्टरल फेलो चुंजियान झांग ने कहा, जो अब फुडन विश्वविद्यालय में एक जूनियर संकाय सदस्य हैं। , जिन्होंने स्टार विश्लेषण का सह-नेतृत्व किया।

महत्वपूर्ण बात यह है कि आरएचआईसी के स्टार डिटेक्टर द्वारा लिए गए सभी स्नैपशॉट अलग-अलग टकराव की घटनाओं से आते हैं।

जिया ने कहा, “आप एक ही नाभिक की बार-बार छवि नहीं बना सकते क्योंकि आप उन्हें टकराव में नष्ट कर देते हैं।” लेकिन कई अलग-अलग टकरावों से छवियों के पूरे संग्रह को देखकर, वैज्ञानिक टूटे हुए नाभिक की 3डी संरचना के सूक्ष्म गुणों का पुनर्निर्माण कर सकते हैं।

जैसा कि ली ने समझाया, “प्रत्येक टकराव में, आप एक पल के लिए समय को रोकते हैं और देखते हैं कि सभी प्रोटॉन और न्यूट्रॉन कहां हैं। और हर बार जब आप ऐसा करते हैं, तो यह परमाणु नाभिक की क्वांटम प्रकृति के कारण एक अलग वितरण होता है। इसलिए, उच्च -ऊर्जा विधि ढेर सारी जानकारी, ढेर सारी जटिलताएं एकत्र करती है जिसकी जांच हम कम-ऊर्जा प्रयोगों में नहीं करते हैं।”

मलबे से आकृतियों का पुनर्निर्माण

यदि नाभिक नष्ट हो जाए तो STAR वास्तव में उस जटिलता को कैसे देखता है? यह ट्रैक करके कि कण कैसे उड़ते हैं – और कितनी तेजी से – सबसे केंद्रीय, हेड-ऑन परमाणु स्मैशअप से।

जैसा कि स्टार वैज्ञानिकों ने नोट किया है प्रकृति पेपर, “एक विडंबनापूर्ण मोड़ में, यह प्रभावी ढंग से साकार होता है [famous physicist] रिचर्ड फेनमैन की सादृश्यता ‘दो को एक साथ तोड़कर और उड़ते हुए मलबे को देखकर एक पॉकेट घड़ी का पता लगाने’ के असंभव प्रतीत होने वाले कार्य की है।”

आरएचआईसी में वर्षों के प्रयोगों से, वैज्ञानिकों को पता है कि उच्च ऊर्जा परमाणु टकराव नाभिक के प्रोटॉन और न्यूट्रॉन को पिघला देते हैं ताकि उनके आंतरिक निर्माण खंड, क्वार्क और ग्लूऑन मुक्त हो जाएं। इस पिघले हुए परमाणु पदार्थ के प्रत्येक गर्म बूँद का आकार और विस्तार, जिसे क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा (क्यूजीपी) के रूप में जाना जाता है, टकराने वाले नाभिक के आकार से निर्धारित होता है। प्रत्येक क्यूजीपी बूँद का आकार और आकार सीधे प्लाज्मा के उस बूँद में उत्पन्न दबाव प्रवणता को प्रभावित करता है, जो बदले में क्यूजीपी के ठंडा होने पर उत्सर्जित कणों के सामूहिक प्रवाह और गति को प्रभावित करता है।

स्टार वैज्ञानिकों ने तर्क दिया कि वे परमाणु संरचना के बारे में जानकारी प्राप्त करने के लिए इस संबंध को “रिवर्स इंजीनियर” कर सकते हैं। उन्होंने टकराव से निकलने वाले कणों के प्रवाह और गति का विश्लेषण किया और मूल रूप से टकराने वाले नाभिक के आकार तक पहुंचने के लिए विभिन्न क्यूजीपी आकृतियों के लिए हाइड्रोडायनामिक विस्तार के मॉडल के साथ उनकी तुलना की।

यह दिखाने के लिए कि उनकी विधि काम कर रही है, उन्होंने सोने के नाभिक की केंद्रीय टक्करों की तुलना की – जो कि कम ऊर्जा अध्ययनों से माना जाता है, गोलाकार के करीब है – यूरेनियम नाभिक की केंद्रीय टकरावों के साथ, जिसमें स्पष्ट लम्बी फुटबॉल जैसी आकृति होती है। चूँकि सोने के नाभिक लगभग गोलाकार होते हैं, इसलिए उत्सर्जित कणों के प्रवाह पैटर्न में टकराव से टकराव तक बहुत अधिक भिन्नता नहीं होनी चाहिए।

स्टार विश्लेषण के सह-नेतृत्व करने वाले एसबीयू अनुसंधान वैज्ञानिक शेंगली हुआंग ने कहा, “सोने के नाभिक की केंद्रीय टक्कर एक गोलाकार, निश्चित आकार का क्यूजीपी उत्पन्न करती है जो सभी दिशाओं में समान रूप से फैलती है।” उन्होंने कहा, “दूसरी ओर, आयताकार यूरेनियम नाभिक विभिन्न प्रकार के झुकावों में टकरा सकता है, जिससे विभिन्न आकृतियों और आकारों के साथ क्यूजीपी की बूंदें उत्पन्न हो सकती हैं।” इसलिए, वैज्ञानिकों को उम्मीद थी कि यूरेनियम की केंद्रीय टक्करों से प्रवाह पैटर्न में बहुत अधिक परिवर्तनशीलता प्रदर्शित होगी।

उन्होंने यही देखा।

यूरेनियम-यूरेनियम और सोना-सोना टकराव के बीच माप की तुलना करके – और उन परिणामों को हाइड्रोडायनामिक मॉडल में फिट करके, जिन्होंने क्यूजीपी की अन्य विशेषताओं का सफलतापूर्वक वर्णन किया है – वैज्ञानिक यूरेनियम नाभिक के आकार का एक मात्रात्मक विवरण निकालने में सक्षम थे। परिणामों में आयताकार यूरेनियम नाभिक के तीन प्रमुख अक्षों की सापेक्ष लंबाई का पहला निर्धारण भी शामिल है।

कंप्यूटिंग उपकरण

शेन के मॉडल सहित विभिन्न हाइड्रोडायनामिक मॉडलों से सटीक भविष्यवाणियां प्राप्त करने से महत्वपूर्ण कम्प्यूटेशनल चुनौतियाँ उत्पन्न हुईं। इस कार्य को पूरा करने में एक वर्ष से अधिक का समय लगा, जिसमें झांग ने ओपन साइंस ग्रिड पर गणनाएँ कीं। झांग ने हाइड्रोडायनामिक मॉडल से दस मिलियन से अधिक टकराव की घटनाओं का उत्पादन करने के लिए 20 मिलियन से अधिक केंद्रीय प्रसंस्करण इकाई (सीपीयू) घंटों का उपयोग किया, जिन्हें तब प्रयोगात्मक डेटा में फिट किया गया था।

झांग ने कहा, “स्टार डेटा में कई विशेषताएं यूरेनियम और सोने के नाभिक के बीच आकार में महत्वपूर्ण अंतर का संकेत देती हैं, लेकिन कम्प्यूटेशनल डेटा-मॉडल तुलनाओं ने हमें परमाणु आकार को अधिक सटीक रूप से निर्धारित करने में मदद की।”

हालाँकि इस अध्ययन का उद्देश्य एक नई परमाणु इमेजिंग पद्धति स्थापित करना था, डेटा से यूरेनियम नाभिक के बारे में कुछ नई जानकारी सामने आई। केवल एक प्रमुख अक्ष में विकृति को देखने के बजाय, जो “प्रगति” बढ़ाव की ओर ले जाती है, वैज्ञानिकों ने सभी तीन अक्षों में अंतर पाया, जिससे पता चलता है कि यूरेनियम नाभिक पहले की तुलना में अधिक जटिल हैं।

विस्तारित प्रभाव

जैसा कि उल्लेख किया गया है, नई विधि आरएचआईसी और एलएचसी दोनों पर क्यूजीपी उत्पन्न करने वाले भारी आयन टकरावों में प्रारंभिक स्थितियों के बारे में भौतिकविदों की समझ में सुधार करेगी। कम-ऊर्जा प्रयोगों से प्राप्त परमाणु संरचनाएं उन विश्लेषणों में आवश्यक थीं जो उन प्रारंभिक स्थितियों को हाइड्रोडायनामिक प्रवाह पैटर्न से जोड़ती थीं ताकि यह स्थापित किया जा सके कि इन टकरावों में निर्मित क्यूजीपी लगभग पूर्ण तरल है। वैज्ञानिक अब यूरेनियम जैसे नाभिक का उपयोग करके कम-ऊर्जा दृष्टिकोण के साथ स्थिरता की जांच करने के लिए नई विधि का उपयोग कर सकते हैं जहां संरचना अपेक्षाकृत अच्छी तरह से ज्ञात है। इससे QGP संपत्तियों के निर्धारण में सुधार के लिए प्रारंभिक स्थिति स्थितियों के बारे में अनिश्चितताएं कम हो जाएंगी।

इस विधि का उपयोग अन्य नाभिकों के आकार को निर्धारित करने के लिए भी किया जा सकता है, विशेष रूप से जहां कम-ऊर्जा प्रयोगों से सीमित समझ प्राप्त हुई है। एक उदाहरण इस विधि को तथाकथित आइसोबार नाभिक पर लागू करना होगा – ऐसे नाभिक जिनमें प्रोटॉन और न्यूट्रॉन (न्यूक्लियॉन) की कुल संख्या समान होती है, लेकिन प्रत्येक प्रकार के अलग-अलग अनुपात होते हैं। ऐसे जोड़े तब शामिल होते हैं जब उच्च-न्यूट्रॉन-संख्या “मूल” नाभिक में दो न्यूट्रॉन कम-न्यूट्रॉन-संख्या “बेटी” बनाने के लिए परमाणु कमजोर क्षय प्रक्रिया के माध्यम से प्रोटॉन में बदल जाते हैं – एक प्रक्रिया जिसे डबल बीटा क्षय के रूप में जाना जाता है। माता-पिता और बेटी के नाभिक के बीच आकार के अंतर को जानने से न्यूट्रिनोलेस डबल बीटा क्षय के रूप में जाने जाने वाले अदृश्य प्रकार के क्षय की खोज में प्रयोगों में मॉडल अनिश्चितताओं को कम करने में मदद मिल सकती है।

जिया ने बताया, “इस शोध के कई अंतःविषय पहलू हैं।” “परमाणु भौतिकी के कई उपक्षेत्र हैं। आमतौर पर, प्रत्येक समुदाय अपने स्वयं के उपकरणों – सिद्धांत और प्रयोगों का उपयोग करता है। लेकिन इन परिणामों के कारण, दुनिया भर में कम ऊर्जा वाली परमाणु संरचना और परमाणु प्रतिक्रिया समुदायों ने नोटिस लिया है। कई कार्यशालाएं, बैठकें और परमाणु भौतिकी में उच्च-ऊर्जा और निम्न-ऊर्जा सीमाओं के बीच संबंधों का पता लगाने के लिए सम्मेलन आयोजित किए गए, जिससे हमें एक-दूसरे को बेहतर ढंग से समझने में मदद मिली।”

इस कार्य को डीओई विज्ञान कार्यालय, यूएस नेशनल साइंस फाउंडेशन (एनएसएफ) और वैज्ञानिक पेपर में सूचीबद्ध कई अंतरराष्ट्रीय एजेंसियों और संगठनों द्वारा समर्थित किया गया था। एनएसएफ द्वारा सीधे समर्थित ओपन साइंस ग्रिड का उपयोग करने के अलावा, शोधकर्ताओं ने ब्रुकहेवन लैब में वैज्ञानिक डेटा और कंप्यूटिंग सेंटर और राष्ट्रीय ऊर्जा अनुसंधान वैज्ञानिक कंप्यूटिंग सेंटर (एनईआरएससी) में कंप्यूटिंग संसाधनों का उपयोग किया, जो विज्ञान का एक और डीओई कार्यालय है। डीओई की लॉरेंस बर्कले राष्ट्रीय प्रयोगशाला में उपयोगकर्ता सुविधा।