चुनने के लिए दुर्लभ आइसोटोप

& गोली; भौतिक विज्ञान 15, 69

दुर्लभ आयन बीम की सुविधा उन प्रयोगों के लिए अपने दरवाजे खोलती है जो ब्रह्मांड में भारी तत्वों के गठन का अध्ययन करेंगे और परमाणु सिद्धांतों के महत्वपूर्ण परीक्षण प्रदान करेंगे।

टॉमस ज़जदा / stock.adobe.com

दुर्लभ आयन बीम की सुविधा (FRIB) किसी भी मौजूदा सुविधा के दुर्लभ समस्थानिकों की व्यापक श्रेणी का उत्पादन करेगी।

परमाणु भौतिकी समुदाय रेडियोधर्मी समस्थानिकों के बीम के उत्पादन के लिए लंबे समय से प्रतीक्षित सुविधा के किकऑफ़ का स्वागत कर रहा है, जिसमें उपयोगकर्ताओं का एक समूह पहले प्रयोगों के लिए तैयार है। मिशिगन स्टेट यूनिवर्सिटी में दुर्लभ आयन बीम की सुविधा (FRIB) इस सप्ताह प्रयोगकर्ताओं के लिए अपने दरवाजे खोलती है। FRIB से किसी भी मौजूदा सुविधा के दुर्लभ समस्थानिकों की व्यापक रेंज वितरित करने की उम्मीद है, जिसमें कई पहले कभी संश्लेषित समस्थानिक शामिल नहीं हैं। यह सुविधा शोधकर्ताओं को आइसोटोप बीम की ऊर्जा को नियंत्रित करने की भी अनुमति देगी ताकि वे सितारों और सुपरनोवा में परमाणु प्रक्रियाओं से संबंधित हो सकें।

दुर्लभ समस्थानिकों को उनका नाम उनकी कमी से मिलता है – ये अस्थिर नाभिक रेडियोधर्मी रूप से क्षय होते हैं और इस प्रकार पृथ्वी पर स्वाभाविक रूप से नहीं पाए जा सकते हैं। लेकिन इन तत्वों की एक प्रयोगशाला में बड़ी मात्रा में बनाने से वैज्ञानिकों को भौतिकी में महत्वपूर्ण खुली समस्याओं से निपटने में मदद मिलेगी। उदाहरण के लिए, वर्तमान परमाणु सिद्धांत, कई नाभिकों का वर्णन नहीं कर सकते हैं, और दुर्लभ समस्थानिक ऐसे चरम मामले प्रदान करते हैं, जिन पर यह परीक्षण किया जा सकता है कि ऐसे सिद्धांत क्यों विफल होते हैं। दुर्लभ समस्थानिक भारी तत्वों के ब्रह्मांडीय न्यूक्लियोसिंथेसिस के लिए भी प्रासंगिक हैं, एक ऐसी प्रक्रिया जिसके लिए अभी तक एक संतोषजनक स्पष्टीकरण नहीं है। लागू पक्ष पर, रेडियोधर्मी समस्थानिक चिकित्सा इमेजिंग, कैंसर उपचार और अन्य औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी हो सकते हैं।

इन प्रेरणाओं के प्रकाश में, भौतिक विज्ञानी दशकों से दुर्लभ-आयन सुविधा पर जोर दे रहे हैं। 2008 में, अमेरिकी ऊर्जा विभाग और मिशिगन स्टेट यूनिवर्सिटी ने FRIB परियोजना के लिए धन प्रदान किया, और निर्माण 2014 में शुरू हुआ। COVID महामारी की चुनौतियों के बावजूद, निर्माण इस साल की शुरुआत में पूरा हो गया, कुछ महीने पहले, FRIB के विज्ञान का कहना है निर्देशक ब्रैडली शेरिल।

FRIB एक शक्तिशाली रैखिक त्वरक पर निर्भर करता है, जो आयनों को प्रकाश की गति से लगभग आधा कर देता है और फिर उन्हें भारी नाभिक के लक्ष्य पर तोड़ देता है। वहां, आयन अन्य नाभिक के साथ प्रतिक्रिया करते हैं, जिससे विभिन्न समस्थानिकों का एक पूरा समूह बनता है। “टुकड़ा विभाजक” का उपयोग करके, शोधकर्ता वांछित आइसोटोप को फ़िल्टर कर सकते हैं और उन्हें “स्टॉपिंग स्टेशनों” तक पहुंचा सकते हैं, जहां गैस में तेज बीम धीमा हो जाते हैं। यह कम गति आइसोटोप को उच्च-सटीक तकनीकों, जैसे कि लेजर स्पेक्ट्रोस्कोपी के साथ जांच करने की अनुमति देती है। रुके हुए समस्थानिकों को फिर से गति दी जा सकती है और वांछित ऊर्जा पर अन्य प्रयोगात्मक कक्षों में पहुंचाया जा सकता है।

शेरिल का कहना है कि दो प्रमुख पहलू FRIB को एक अनूठी सुविधा बनाते हैं। पहला सुपरकंडक्टिंग रैखिक त्वरक है, जो किसी भी भारी-आयन त्वरक सुविधा की उच्चतम बीम शक्ति प्राप्त कर सकता है। मशीन की दक्षता को यूरेनियम जैसे किसी दिए गए तत्व के पांच आयनीकरण राज्यों में तेजी लाने की क्षमता से बढ़ाया जाता है। (अन्य त्वरक आमतौर पर केवल एक विशिष्ट चार्ज के साथ आयनों को तेज करने के लिए डिज़ाइन किए जाते हैं।) दूसरा पहलू पुन: त्वरण चरण है, जहां उत्पादित आइसोटोप की गति को ठीक से सेट किया जा सकता है। “आइसोटोप प्रकाश की गति के आधे या दो तिहाई से बनाए जा सकते हैं, लेकिन हम वास्तव में उन्हें उन ऊर्जाओं तक धीमा करना चाहते हैं जो खगोल भौतिकी के लिए प्रासंगिक हैं, ” वे कहते हैं।

FRIB

स्थिर समस्थानिक (काला), पहले से पता चला समस्थानिक (हरा), सैद्धांतिक रूप से अनुमानित समस्थानिक (पीला), और FRIB (नीला) में संभावित रूप से उत्पादित समस्थानिकों को दर्शाने वाला न्यूक्लाइड चार्ट।

शेरिल का कहना है कि FRIB की बीम शक्ति “हमें सबसे दूर तक सबसे दुर्लभ समस्थानिकों तक पहुंच प्रदान करेगी।” FRIB से सैकड़ों पहले कभी नहीं संश्लेषित समस्थानिक उत्पन्न होने की उम्मीद है, जिनमें से कुछ विशेष रूप से वैज्ञानिकों द्वारा बेशकीमती हैं। शेरिल कहते हैं, “जिस प्रक्रिया ने FRIB के लिए वैज्ञानिक मामले को विकसित किया, उसने आइसोटोप के कुछ प्रमुख क्षेत्रों की पहचान की, और हमने इन विशेष आइसोटोप तक पहुंच प्रदान करने के अपने प्रयासों को निर्देशित किया।” इन क्षेत्रों में परमाणु स्थिरता की सीमा पर आइसोटोप शामिल हैं, जैसे कि न्यूट्रॉन “ड्रिप लाइन” के करीब और ब्रह्मांड में भारी-तत्व गठन के लिए प्रासंगिक आइसोटोप।

न्यूट्रॉन ड्रिप लाइन, न्यूक्लाइड चार्ट में, किसी दिए गए तत्व के बाउंड और अनबाउंड आइसोटोप के बीच की सीमा को चिह्नित करती है। यदि ड्रिप लाइन पर एक न्यूक्लियस में अधिक न्यूट्रॉन जोड़े जाते हैं, तो वे न्यूक्लियस से लीक या ड्रिप करते हैं। आज, यह सीमा नियॉन तक केवल दस सबसे हल्के तत्वों के लिए जानी जाती है, लेकिन FRIB की न्यूट्रॉन-समृद्ध समस्थानिकों को वितरित करने की क्षमता से शोधकर्ताओं को ड्रिप लाइन को दसियों भारी तत्वों तक विस्तारित करने की अनुमति मिलनी चाहिए। एफआरआईबी की कार्यक्रम सलाहकार समिति की अध्यक्षता करने वाले परमाणु भौतिक विज्ञानी एनी अप्रैमियन कहते हैं, “यह हमें उन जगहों पर ले जाएगा जहां हमने सवाल पूछे हैं और दशकों तक जवाब नहीं मिला है।” उनकी आशा है कि इन चरम मामलों को समझने से शोधकर्ताओं को एक एकीकृत परमाणु सिद्धांत विकसित करने की अनुमति मिल जाएगी जो सभी पट्टियों और रंगों के नाभिक पर लागू होती है।

और जबकि पृथ्वी पर स्थिरता की सीमा पर आइसोटोप नहीं पाए जाते हैं, वे सितारों और सुपरनोवा में भारी तत्वों के उत्पादन में शामिल होते हैं। माना जाता है कि इनमें से कई तत्व तथाकथित . से उत्पन्न होते हैं आर-प्रक्रिया, जिसमें तेजी से न्यूट्रॉन-कैप्चर प्रतिक्रियाएं शामिल हैं। का विवरण आर-प्रक्रिया को आंशिक रूप से ब्रह्मांड में पाई जाने वाली समान परिस्थितियों में प्रयोग करने में आने वाली चुनौतियों के कारण खराब समझा जाता है। टेनेसी में ओक रिज नेशनल लेबोरेटरी के परमाणु खगोल भौतिकीविद् केली चिप्स का कहना है कि एफआरआईबी अधिकांश समस्थानिकों को एक तारकीय वातावरण में मौजूद हो सकता है और उन्हें प्रासंगिक ऊर्जा में गति देकर खगोलभौतिकीय परिदृश्यों की नकल करने की अभूतपूर्व क्षमता प्रदान करेगा। वह कहती हैं कि FRIB की एक अनूठी विशेषता यह है कि यह विभिन्न समस्थानिक आइसोमर्स का उत्पादन कर सकता है – विभिन्न ऊर्जा राज्यों में एक ही समस्थानिक के संस्करण। के लिए अधिकांश मॉडल आर-प्रक्रिया मानती है कि आइसोमर्स का कोई प्रभाव नहीं पड़ता है, लेकिन “यह मानने का कोई अच्छा कारण नहीं है कि मामला है,” केली कहते हैं। वह कहती हैं कि इन और अन्य विवरणों को सूक्ष्मता से नियंत्रित करने की क्षमता FRIB को “परमाणु खगोल भौतिकी की हमारी समझ पर भारी प्रभाव की संभावना” देती है।

शेरिल का कहना है कि अनुसंधान के बीच महत्वपूर्ण तालमेल है कि एफआरआईबी सक्षम होगा और गुरुत्वाकर्षण-लहर का पता लगाने और अवलोकन संबंधी खगोल विज्ञान में हालिया विकास। एलआईजीओ और कन्या की 2017 में न्यूट्रॉन स्टार विलय का पता लगाना, विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम में विकिरण के उत्सर्जन के साथ, इस बात का सबूत है कि इस तरह के विलय में भारी तत्व बनाए जा सकते हैं (देखें दृष्टिकोण: न्यूट्रॉन स्टार मर्जर सीन एंड हर्ड)। FRIB डेटा का खजाना प्रदान करेगा जो शोधकर्ताओं को इन तत्वों को बनाने की प्रक्रियाओं का विवरण निकालने के लिए विलय स्पेक्ट्रा का विश्लेषण करने में मदद कर सकता है। चिप्स कहते हैं, परमाणु भौतिकी से बाधाओं के साथ मल्टीमैसेंजर खगोल विज्ञान को जोड़कर, शोधकर्ता “न्यूट्रॉन स्टार विलय के अंदर क्या हो रहा है, इसकी बारीक किरकिरा” का पता लगाने में सक्षम हो सकते हैं।

-माटेओ रिनीक

माटेओ रिनी के संपादक हैं भौतिक विज्ञान.


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