Shining Light on the Dark Sector: Search for Axion-like Particles and Other New Physics in Photonic Final States with FASER

परमाणु उप-स्तर की दुनिया के भीतर, भौतिकविदों को लंबे समय से संदेह रहा है कि ब्रह्मांड मानक मॉडल (standard model) की तुलना में कहीं अधिक भीड़भाड़ वाला है। यह स्थापित ढांचा पदार्थ के ज्ञात निर्माण खंडों और उन्हें नियंत्रित करने वाले बलों का सफलतापूर्वक वर्णन करता है, फिर भी यह पहेली के एक महत्वपूर्ण हिस्से को छोड़ देता है: डार्क मैटर (dark matter)। हालांकि हम जानते हैं कि आकाशगंगाओं पर इसके गुरुत्वाकर्षण खिंचाव के कारण डार्क मैटर मौजूद है, लेकिन हमने कभी भी उन कणों का प्रत्यक्ष पता नहीं लगाया है जिनसे यह बना है। कई सिद्धांत प्रस्तावित करते हैं कि ये छिपे हुए कण हल्के, कमजोर रूप से परस्पर क्रिया करने वाले (weakly interacting), और शायद दीर्घजीवी (long-lived) हैं, जिसका अर्थ है कि वे गायब होने से पहले लंबी दूरियां तय कर सकते हैं। यदि ऐसे कण मौजूद हैं, तो वे लार्ज हैड्रोन कोलाइडर (Large Hadron Collider) में प्रोटॉन के हिंसक टकरावों में उत्पन्न हो सकते हैं, और फिर साधारण पदार्थ को पकड़ने के लिए डिज़ाइन किए गए विशाल डिटेक्टरों से फिसलकर आसपास की चट्टानों में सैकड़ों मीटर तक जा सकते हैं। उन्हें ढूंढना न केवल डार्क मैटर की प्रकृति को प्रकट करेगा बल्कि भौतिकी के एक ऐसे "डार्क सेक्टर" (dark sector) की ओर भी खिड़की खोल देगा जो हमारे ज्ञात जगत के साथ-साथ कार्य करता है।

लार्ज हैड्रोन कोलाइडर में, जो एक ऐसी मशीन है जो प्रोटॉन को लगभग प्रकाश की गति से आपस में टकराती है, FASER नामक एक विशेष प्रयोग मुख्य टकराव बिंदु से 480 मीटर दूर, एक संकीर्ण सुरंग के भीतर स्थित है। यह स्थान रणनीतिक है; यह उन कणों के सीधे पथ में स्थित है जो टकरावों से आगे की ओर निकलते हैं, एक ऐसा क्षेत्र जहाँ हल्के, मायावी कणों के प्रकट होने की सबसे अधिक संभावना होती है। जबकि टकराव स्थल पर मुख्य डिटेक्टर कंक्रीट और चट्टान की मोटी परतों से घिरे होते हैं जो लगभग सब कुछ रोक देते हैं, FASER को उन कुछ कणों को पकड़ने के लिए डिज़ाइन किया गया है जो इस बाधा को पार कर सकते हैं। अपने नवीनतम कार्य में, FASER सहयोग ने एक विशिष्ट प्रकार के काल्पनिक कण की ओर ध्यान केंद्रित किया जिसे एक्सियन-लाइक पार्टिकल (axion-like particle) कहा जाता है। ये एक्सियन के सैद्धांतिक संबंधी हैं, जो एक ऐसा कण है जिसे मूल रूप से इस रहस्य को सुलझाने के लिए प्रस्तावित किया गया था कि ब्रह्मांड मजबूत परमाणु बल (strong nuclear force) के तहत इस तरह व्यवहार क्यों करता है। उच्च-ऊर्जा भौतिकी में खोजे जाने वाले भारी कणों के विपरीत, ये एक्सियन-लाइक कण हल्के होते हैं और जैसे-जैसे वे डिटेक्टर के माध्यम से यात्रा करते हैं, वे उच्च-ऊर्जा फोटॉन या प्रकाश के कणों के जोड़े में विघटित (decay) हो सकते हैं।

शोधकर्ताओं ने 2022 और 2023 के दौरान एकत्र किए गए डेटा का विश्लेषण किया, जो प्रोटॉन-प्रोटॉन टकरावों की एक विशाल मात्रा के अनुरूप है। वे एक बहुत ही विशिष्ट संकेत की तलाश कर रहे थे: उनके इलेक्ट्रोमैग्नेटिक कैलोरीमीटर (electromagnetic calorimeter) में ऊर्जा का एक अचानक, तीव्र विस्फोट, जिसमें आसपास के वीटो सिस्टम (veto systems) में कोई सिग्नल न हो जो यह दर्शा सके कि कोई आवेशित कण (charged particle) अंदर आया है। चूंकि काल्पनिक कण उदासीन (neutral) होते हैं, इसलिए वे बिना कोई निशान छोड़े प्रारंभिक डिटेक्टरों से गुजर जाएंगे, और फिर उपकरण के भीतर गहराई में दो फोटॉन में विघटित होकर एक साफ, उच्च-ऊर्जा फ्लैश बनाएंगे। टीम को इस सिग्नल को बैकग्राउंड शोर (background noise) से अलग करने के लिए अविश्वसनीय रूप से सावधान रहना पड़ा, जो न्यूट्रिनो (neutrinos) द्वारा संचालित होता है। न्यूट्रिनो रहस्यमयी कण हैं जो चट्टानों के माध्यम से भी गुजर जाते हैं और कभी-कभी डिटेक्टर सामग्री के साथ अंतःक्रिया कर सकते हैं, जिससे वे वांछित कणों के ऊर्जा सिग्नेचर की नकल कर सकते हैं। इसे प्रबंधित करने के लिए, वैज्ञानिकों ने परिष्कृत कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया ताकि यह भविष्यवाणी की जा सके कि उनके विशिष्ट ऊर्जा रेंज में कितने न्यूट्रिनो इंटरैक्शन होने चाहिए।

इस सूक्ष्म खोज का परिणाम एक एकल घटना (event) था। डिटेक्टर ने एक ऐसा मामला दर्ज किया जहां कैलोरीमीटर में एक उच्च-ऊටर्जा जमाव दिखाई दिया जिसमें कोई अपस्ट्रीम गतिविधि नहीं थी, जो विघटित हो रहे एक्सियन-लाइक पार्टिकल के अपेक्षित पैटर्न से मेल खाता था। हालांकि, टीम के गणनाओं से पता चला कि वे लगभग 0.44 न्यूट्रिनो इंटरैक्शन की उम्मीद कर रहे थे जो बिल्कुल वैसा ही दिख सकते थे जैसा देखा गया, जिसमें अनिश्चितता का एक मार्जिन है जो एक घटना के अवलोकन को यादृच्छिक संयोग (random chance) के रूप में पूरी तरह से सुसंगत बनाता है। दूसरे शब्दों में, उन्होंने जो एक घटना पाई, वह संभवतः एक न्यूट्रिनो ही था जो न्यूट्रिनो की तरह व्यवहार कर रहा था, न कि नए भौतिकी की खोज। चूंकि अवलोकन बैकग्राउंड की अपेक्षा से महत्वपूर्ण रूप से अधिक नहीं था, इसलिए शोधकर्ता नई खोज का दावा नहीं कर सके। इसके बजाय, उन्होंने इन परिणामों का उपयोग इन कणों के अस्तित्व की सीमाओं (limits) को निर्धारित करने के लिए किया।

यह दिखाकर कि न्यूट्रिनो द्वारा स्पष्ट किए जाने वाले आयोजनों से अधिक कोई अतिरिक्त घटना नहीं दिखी, प्रयोग ने प्रभावी रूप से इन एक्सियन-लाइक कणों की कई संभावनाओं को खारिज कर दिया। टीम ने निर्धारित किया कि यदि ये कण मौजूद हैं और जिस तरह से उन्होंने मॉडल किया था उसी तरह से कमजोर परमाणु बल के साथ अंतःक्रिया करते हैं, तो वे द्रव्यमान और अंतःक्रिया की शक्ति के कुछ संयोजनों के साथ नहीं हो सकते। विशेष रूप से, उन्होंने इन कणों के 100 और 250 मिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट द्रव्यमान के बीच होने और 3 x 10^-5 से 5 x 10^-4 इनवर्स GeV की अंतःक्रिया शक्ति के बीच होने की संभावना को खारिज कर दिया। उन्होंने भारी द्रव्यमान तक इन सीमाओं का विस्तार भी किया, कमजोर अंतःक्रियाओं के लिए 300 मिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट तक के कणों को खारिज कर दिया। यह एक महत्वपूर्ण कदम है क्योंकि यह उस पैरामीटर स्पेस (parameter space) की जांच करता है जिसे पहले कभी नहीं खोजा गया था, जो उन अन्य प्रयोगों का पूरक है जो इन कणों के हल्के या भारी संस्करणों की तलाश करते हैं।

अध्ययन केवल एक प्रकार के कण तक ही सीमित नहीं था। उसी डेटा और विश्लेषण विधियों को कई अन्य सैद्धांतिक मॉडलों पर लागू किया गया जो डिटेक्टर में प्रकाश के समान फ्लैश उत्पन्न करेंगे। इसमें वे मॉडल शामिल थे जिनमें ग्लुऑन (gluons) के साथ अंतःक्रिया करने वाले कण शामिल हैं, जो नाभिक में एक प्रकार के बल वाहक हैं, साथ ही पदार्थ में प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की संख्या से संबंधित नए प्रकार के बल-वाहक कण, और हल्के स्केलर कण (light scalar particles) जो अप-क्वार्क्स (up-quarks) के साथ अंतःक्रिया करना पसंद करते हैं। प्रत्येक परिदृश्य के लिए, घटनाओं के महत्वपूर्ण अधिशेष (excess) की कमी ने टीम को इन कणों के छिपने की जगहों पर नई सीमाएं खींचने की अनुमति दी। उन्होंने पाया कि उनका प्रयोग ब्रह्मांड के छिपे हुए भौतिकी के उन क्षेत्रों के प्रति संवेदनशील है जो पहले अनियंत्रित थे, जिससे भविष्य की खोजों के लिए खोज क्षेत्र प्रभावी रूप से कम हो गया।

इस खोज की सफलता FASER डिटेक्टर की अद्वितीय ज्यामिति और साधारण कणों के भारी बैकग्राउंड को छानने की इसकी क्षमता पर काफी हदत तक निर्भर थी। डिटेक्टर स्किंटिलेटिंग सामग्री (scintillating material) की परतों से लैस है जो गेटकीपर के रूप में कार्य करती है, जो म्यूऑन (muons) जैसे किसी भी आवेशित कण को संवेदनशील आयतन में प्रवेश करने से रोकती है। केवल उदासीन कण ही इस गेट से गुजर सकते हैं। एक बार अंदर जाने के बाद, डिटेक्टर ऊर्जा जमा होने के विशिष्ट पैटर्न को देखता है जो दो फोटॉन में विघटित होने वाले कण के परिणामस्वरूप होता है। विश्लेषण के लिए सटीक टाइमिंग की आवश्यकता थी ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि घटना प्रोटॉन टकरावों के साथ तालमेल में हुई है और ऊर्जा माप सटीक होने के लिए सावधानीपूर्वक अंशांकन (calibration) की आवश्यकता थी। टीम को इस तथ्य को भी ध्यान में रखना पड़ा कि कणों की बीम पूरी तरह से सीधी नहीं है बल्कि उसमें एक हल्का कोण है, जो 480 मीटर की यात्रा के दौरान कणों के पथ को थोड़ा बदल देता है।

यह अध्ययन फोटॉन में विघटित होने वाले नए कणों की खोज करने वाला FOSA का पहला कार्य है, जो डार्क सेक्टर की उनकी खोज में एक नया अध्याय है। हालांकि देखी गई एकल घटना कोई खोज नहीं थी, लेकिन इतनी सारी सैद्धांतिक संभावनाओं को खारिज करने की क्षमता एक शक्तिशाली वैज्ञानिक परिणाम है। यह बताता है कि यदि ये हल्के, दीर्घजीवी कण मौजूद हैं, तो या तो उनकी अंतःक्रियाएं बहुत कमजोर हैं या उनके गुण उन मॉडलों से भिन्न हैं जिनका यहाँ परीक्षण किया गया था। प्रयोग यह प्रदर्शित करता है कि मुख्य डिटेक्टरों द्वारा छोड़े गए कणों से बहुत दूर नीचे की ओर देखना एक व्यवहार्य और शक्तिशाली रणनीति है। जैसे-जैसे लार्ज हैड्रोन कोलाइडर काम करना जारी रखता है और अधिक डेटा एकत्र करता है, FASER इन सीमाओं को और भी आगे बढ़ा सकेगा, जो शायद एक दिन उस कण के धुंधले संकेत को पकड़ लेगा जिसने डार्क सेक्टर के रहस्यों को प्रकट करने के लिए पृथ्वी के माध्यम से यात्रा की है।