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Indirect dark matter searches with neutrino telescopes via energetic cosmic showers

यह शोध पत्र एक न्यूनतम $U(1)$ विस्तार का अन्वेषण करता है जिसमें डिराक डार्क मैटर एक $Z^\prime$ बोसॉन के माध्यम से विलोपन (annihilating) करता है, और भविष्यित उच्च-ऊर्जा न्यूट्रिनो फ्लक्स की प्रेक्षण संबंधी डेटा के साथ तुलना करके, फ्रीज-इन अवशेष प्रचुरता (freeze-in relic abundance) सीमाओं को शामिल करके, और कॉस्मिक स्ट्रिंग्स से प्राप्त गुरुत्वाकर्षण तरंग संकेतों पर विचार करके इसके मापदंडों पर कड़े प्रतिबंध प्राप्त करता है।

मूल लेखक: Arindam Basu, Basabendu Barman, Arindam Das

प्रकाशित 2026-06-29

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Arindam Basu, Basabendu Barman, Arindam Das

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड एक विशाल, अंधेरे महासागर की तरह है। दशकों से, वैज्ञानिक "डार्क मैटर" (Dark Matter) नामक एक विशिष्ट प्रकार की अदृश्य मछली को खोजने की कोशिश कर रहे हैं। उन्होंने बड़े जाल (LHC जैसे कोलाइडर) और संवेदनशील सोनार (डायरेक्ट डिटेक्शन प्रयोग) का उपयोग किया है, लेकिन अब तक उनके जाल खाली ही रहे हैं। हो सकता कि ये मछलियाँ बहुत शर्मीली हों, या वे इस तरह से छिप रही हों जिसके बारे में हमने अभी तक सोचा भी न हो।

यह शोध पत्र इस अदृश्य मछली की एक झलक पाने का एक नया तरीका प्रस्तावित करता है, न कि मछली को खुद खोजने के माध्यम से, बल्कि उन छपाकों (splashes) को देखने के माध्यम से जो वह अन्य मछलियों से टकराने पर पैदा करती है।

यहाँ इस शोध पत्र की कहानी है, जिसे सरल अवधारणाओं में विभाजित किया गया है:

1. "भूतिया छपाकों" का रहस्य (The Mystery of the "Ghostly Splashes")

हाल ही में, विशाल पानी के नीचे स्थित दूरबीनों (जैसे अंटार्कटिका में IceCube और भूमध्य सागर में KM3NeT) ने बहुत ऊर्जावान "छपाकों" का पता लगाया है, जो उच्च-ऊर्जा न्यूट्रिनो (ghostly particles जो शायद ही कभी किसी चीज़ के साथ परस्पर क्रिया करते हैं) के रूप में हैं।

पहेली: आमतौर पर, जब हम इन छपाकों को देखते हैं, तो हमें उसी समय एक चमकदार रोशनी (फोटोन) देखने की उम्मीद होती है, जैसे कि कोई आतिशबाजी हो। लेकिन कुछ मामलों में, जैसे कि एक दूरस्थ आकाशगंगा (NGC 1068) से जुड़ी एक विशिष्ट घटना में, हम छपाक तो देखते हैं लेकिन कोई रोशनी नहीं देखते।
विचार: लेखक सुझाव देते हैं कि ये छपाके सामान्य ब्रह्मांडीय आतिशबाजी से नहीं हो सकते। इसके बजाय, ये डार्क मैटर कणों के आपस में टकराने और विलोपन (annihilating) (एक-दूसरे को नष्ट करने) के कारण हो सकते हैं, जो सुपरमैसिव ब्लैक होल के घने पड़ोस में होते हैं। जब वे आपस में टकराते हैं, तो वे न्यूट्रिनो के एक विस्फोट में बदल जाते हैं।

2. ब्रह्मांड के लिए एक नया "नियम पुस्तिका" (The New "Rulebook" for the Universe)

इस विचार को काम करने के योग्य बनाने के लिए, लेखकों ने एक नई, न्यूनतम "नियम पुस्तिका" (एक गणितीय मॉडल) बनाई है कि ब्रह्मांड कैसे काम करता है।

एक नया बल: उन्होंने एक नया, अदृश्य बल वाहक (force carrier) जोड़ा है जिसे $Z'$ बोसॉन कहा जाता है। इसे एक नए प्रकार के संदेशवाहक कण के रूप में समझें।
खिलाड़ी:
- डार्क मैटर: एक नए प्रकार का कण ("डिराक" फर्मियन) जो केवल इस नए $Z'$ संदेशवाहक के माध्यम से ब्रह्मांड से बात करता है।
- सेतु (The Bridge): $Z'$ एक पुल की तरह कार्य करता है। डार्क मैटर के कण आपस में टकराते हैं, अपनी ऊर्जा $Z'$ को सौंप देते हैं, और फिर $Z'$ न्यूट्रिनो में टूट जाता है, जो पृथ्वी तक उड़कर आते हैं और डिटेक्ट किए जाते हैं।

3. जासूसी का काम: छपाकों का मिलान करना (The Detective Work: Matching the Splashes)

वैज्ञानिकों ने केवल अनुमान नहीं लगाया; उन्होंने गणित लगाया यह देखने के लिए कि क्या उनका सिद्धांत डेटा के अनुकूल है।

सिमुलेशन: उन्होंने गणना की कि यदि डार्क मैटर विशिष्ट स्थानों (जैसे हमारी आकाशगंगा के केंद्र या दूरस्थ सक्रिय आकाशगंगाओं) में टकरा रहा है, तो कितने न्यूट्रिनो उत्पन्न होने चाहिए।
तुलना: उन्होंने अपने द्वारा गणना किए गए "छपाक की संख्या" की तुलना IceCube, ANTARES और Baikal-GVD जैसे टेलीस्कोप द्वारा रिपोर्ट किए गए वास्तविक आंकड़ों से की।
परिणाम: उन्होंने पाया कि उनके सिद्धांत को देखे गए छपाकों से मिलाने के लिए, नए बल की "शक्ति" (कि डार्क मैटर कितनी आसानी से $Z'$ से संवाद करता है) एक बहुत ही विशिष्ट सीमा के भीतर होनी चाहिए। यदि बल बहुत कमजोर है, तो कोई छपाक नहीं होगा। यदि यह बहुत मजबूत है, तो बहुत अधिक छपाके होंगे (या सिद्धांत गणितीय रूप से टूट जाएगा)।

4. "फ्रीज-इन" रेसिपी (The "Freeze-In" Recipe)

यह शोध पत्र इस बात पर भी नज़र डालता है कि बहुत शुरुआती ब्रह्मांड में डार्क मैटर कैसे बनाया गया था।

पुराना तरीका (Freeze-Out): आमतौर पर, वैज्ञानिक सोचते हैं कि डार्क मैटर तब बनाया गया था जब ब्रह्मांड गर्म और भीड़भाड़ वाला था, और फिर जैसे-जैसे ब्रह्मांड ठंडा हुआ, यह "फ्रीज आउट" हो गया। लेकिन यह विधि अन्य प्रयोगों द्वारा अत्यधिक प्रतिबंधित है।
नया तरीका (Freeze-In): लेखक एक "धीमी कुकिंग" (slow-cook) विधि का पता लगाते हैं। कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड सूप का एक बर्तन है। शुरुआत से ही इसमें सामग्री को मिलाने के बजाय, डार्क मैटर को लंबे समय तक बहुत कमजोर अंतःक्रियाओं के माध्यम से धीरे-धीरे "पकाया" जाता है।
प्रतिबंध: उन्होंने पाया कि इस "धीमी कुकिंग" विधि के माध्यम से आज दिखने वाली डार्क मैटर की सटीक मात्रा उत्पन्न करने के लिए, अंतःक्रियाएं अविश्वसनीय रूप से कमजोर होनी चाहिए—इतनी कमजोर कि उन्हें वर्तमान कण त्वरकों (particle accelerators) के साथ पकड़ना लगभग असंभव है।

5. ब्रह्मांड की "गूँज" को सुनना (Listening to the Universe's "Hum")

इस सिद्धांत को परखने का एक और तरीका है: ब्रह्मांड को सुनना।

कॉस्मिक स्ट्रिंग्स: मॉडल बताता है कि जब प्रारंभिक ब्रह्मांड में नया बल "चालू" हुआ, तो इसने कॉस्मिक डिफेक्ट्स (cosmic defects) के रूप में कॉस्मिक स्ट्रिंग्स (सोचिए, ये स्पेस-टाइम के कपड़े में झुर्रियों या गांठों की तरह हैं) बनाए होंगे।
गूँज (The Hum): जैसे-जैसे ये स्ट्रिंग्स कंपन करती हैं, वे स्पेस-टाइम में लहरें पैदा करती हैं जिन्हें गुरुत्वाकर्षण तरंगें (Gravitational Waves) कहा जाता है।
भविष्य: लेखक दिखाते हैं कि भविष्य के डिटेक्टर (जैसे LISA या Einstein Telescope) संभावित रूप से इस "गूँज" को सुन सकते हैं। यदि वे इसे सुनते हैं, तो यह नए बल के ऊर्जा स्तर की पुष्टि करेगा, जिससे उनके सिद्धांत को सत्यापित करने का एक दूसरा तरीका मिल जाएगा।

निष्कर्ष का सारांश (Summary of the Findings)

अच्छी खबर: न्यूट्रिनो टेलीस्कोप डार्क मैटर को देख सकते हैं, भले ही विशाल कण त्वरक (जैसे LHC) ऐसा न कर सकें। दूरस्थ आकाशगंगाओं से आने वाले "छपाके" डार्क मैटर के विलोपन का पहला प्रमाण हो सकते हैं।
सीमाएँ: यह सिद्धांत तभी काम करता है जब नया बल न तो बहुत मजबूत हो और न ही बहुत कमजोर। लेखकों ने ठीक से मानचित्रित किया है कि वह "गोल्डिलॉक्स ज़ोन" (Goldilocks zone) कहाँ है।
चुनौती: यदि डार्क मैटर को "फ्रीज-इन" विधि के माध्यम से बनाया गया था, तो अंतःक्रियाएं इतनी सूक्ष्म हैं कि हमें इसके अस्तित्व को साबित करने के लिए भविष्य के गुरुत्वाकर्षण तरंग डिटेक्टरों या अत्यंत संवेदनशील बीम-डंप प्रयोगों की आवश्यकता होगी।

संक्षेप में, यह शोध पत्र सुझाव देता है कि डार्क मैटर अंधेरे में पार्टी कर रहा हो सकता है, और हमें यह जानने का एकमात्र तरीका वह संगीत (न्यूट्रिनो) है जो यह भेज रहा है, न कि नर्तकों को देखने की कोशिश करना।

तकनीकी सारांश: ऊर्जावान कॉस्मिक शॉवर के माध्यम से न्यूट्रिनो टेलिस्कोप द्वारा अप्रत्यक्ष डार्क मैटर खोज

समस्या विवरण
कोलाइडर, प्रत्यक्ष और अप्रत्यक्ष खोजों में महत्वपूर्ण संकेतों की अनुपस्थिति ने मानक 'वीकली इंटरैक्टिंग मैसिव पार्टिकल' (WIMP) प्रतिमान पर कड़े प्रतिबंध लगा दिए है, जहाँ डार्क मैटर (DM) का अवशेष प्रचुरता (relic abundance) थर्मल फ्रीज़-आउट (thermal freeze-out) के माध्यम से उत्पन्न होती है। फलस्वरूप, वैकल्पिक उत्पादन तंत्रों, विशेष रूप से "फ्रीज़-इन" (freeze-in) पर ध्यान आकर्षित हुआ है। यह ढांचा डार्क मैटर और स्टैंडर्ड मॉडल (SM) के बीच अत्यंत क्षीण अंतःक्रियाओं पर निर्भर करता है, जिससे इसका पता लगाना चुनौतीपूर्ण हो जाता है। साथ ही, हालिया एस्ट्रोपार्टिकल अवलोकनों ने सेफ़र्ट गैलेक्सी NGC 1068, ब्लाज़र TXS 0506+056 और KM3NeT द्वारा पता लगाए गए अल्ट्रा-हाई-एनर्जी इवेंट्स से उच्च-ऊर्जा न्यूट्रिनो घटनाओं (TeV से PeV स्केल तक) की रिपोर्ट की है। ये घटनाएँ अक्सर पारंपरिक हैड्रोनिक तंत्रों से अपेक्षित उच्च-ऊर्जा फोटॉन फ्लक्स की कमी प्रदर्शित करती हैं, जो एक कॉस्मोोजेनिक या विलक्षण उत्पत्ति (exotic origin) की संभावना को जन्म देती हैं, जैसे कि घने खगोलीय वातावरण में डार्क मैटर विलोपन (annihilation)। यह शोध पत्र इस बात की जांच करता है कि क्या इन उच्च-ऊर्जा न्यूट्रिनो फ्लक्सों को एक विशिष्ट 'बियॉन्ड द स्टैंडर्ड मॉडल' (BSM) ढांचे के भीतर डार्क मैटर विलोपन द्वारा समझाया जा सकता है, जिससे मॉडल के मापदंडों को सीमित किया जा सके।

कार्यप्रणाली
लेखक एक विसंगति-मुक्त (anomaly-free) $U(1)_X$ गेज समरूपता पर आधारित स्टैंडर्ड मॉडल का एक न्यूनतम, UV-पूर्ण विस्तार प्रस्तावित करते हैं। इस मॉडल में शामिल हैं:

गेज संरचना: एक $U(1)_X$ समूह जो स्टैंडर्ड मॉडल की हाइपरचार्ज ( $U(1)_Y$ ) और $B-L$ चार्ज का एक रैखिक संयोजन है, जिसे गुणांक $x_H$ और $x_\Phi$ द्वारा पैरामीटराइज किया गया है।
क्षेत्र सामग्री (Field Content): तीन पीढ़ियों के SM-सिंगलेट राइट-हैंडेड न्यूट्रिनो (RHNs) और एक सिंगलेट स्केलर क्षेत्र $\Phi$ । $\Phi$ का गैर-शून्य वैक्यूम एक्सपेक्टेशन वैल्यू (VEV) $U(1)_X$ समरूपता को तोड़ता है, जिससे RHNs के लिए मेजरोना मास (seesaw mechanism के माध्यम से) और एक विशाल $Z'$ गेज बोसॉन उत्पन्न होता है।
डार्क मैटर उम्मीदवार: एक डिरैक फर्मियन $\chi$ (SM सिंगलेट) जिसका $U(1)_X$ चार्ज $n_\chi$ है। डार्क मैटर विशेष रूप से $Z'$ बोसॉन के माध्यम से न्यूट्रिनो जोड़ों ( $\chi\bar{\chi} \to \nu\bar{\nu}$ ) में विलीन (annihilate) होता है।
खगोलीय मॉडलिंग: डार्क मैटर घनत्व प्रोफाइल को नवारो-फ्रेनक-व्हाइट (NFW) प्रोफाइल का उपयोग करके मॉडल किया गया है, जिसे सुपरमैसिव ब्लैक होल्स (SMBHs) के एडियाबेटिक विकास द्वारा स्पाइक बनाने के लिए संशोधित किया गया है। लेखक दो परिदृश्यों पर विचार करते हैं:
- एक्स्ट्रागैलेक्टिक (NGC 1068): जिसे स्टेलर हीटिंग से अप्रभावित स्पाइक प्रोफाइल के साथ मॉडल किया गया है।
- गैलेक्टिक सेंटर (मिल्की वे): जिसे S-stars से होने वाली स्टेलर हीटिंग को ध्यान में रखते हुए एक प्रोफाइल के साथ मॉडल किया गया है।
फ्लक्स गणना: न्यूट्रिनो फ्लक्स की गणना लाइन ऑफ साइट पर डार्क मैटर घनत्व के वर्ग का समाकलन (integration) करके की जाती है, जिसे डिटेक्टर स्मीयरिंग (smearing) को ध्यान में रखने के लिए एक गॉसियन एनर्जी रेजोल्यूशन फंक्शन के साथ संयोजित किया जाता है। विश्लेषण प्रेक्षित डेटा (IceCube, ANTARES, Baikal-GVD, KM3NeT, और Pierre Auger Observatory (PAO)) के विरुद्ध अनुमानित डिटेक्टर-स्मीयर्ड फ्लक्स की तुलना करता है।
पूरक प्रतिबंध (Complementary Constraints): यह अध्ययन निम्नलिखित को शामिल करता है:
- फ्रीज़-इन: डार्क मैटर की अवशेष प्रचुरता को प्लैंक अवलोकनों के अनुरूप सुनिश्चित करने के लिए बोल्ट्ज़मैन समीकरण को हल करना, जिससे क्षीण अंतःक्रियाओं के लिए कपलिंग $g_X$ की सीमाएं प्राप्त होती हैं।
- गुरुत्वाकर्षण तरंगें (GWs): कॉस्मिक स्ट्रिंग नेटवर्क द्वारा उत्पन्न स्टोकेस्टिक GW बैकग्राउंड से समरूपता-विघटन स्केल ( $v_\Phi$ ) और $Z'$ द्रव्यमान पर प्रतिबंधों का अनुमान लगाना।
- परटर्बेटिविटी (Perturbativity): शर्त $n_\chi g_X < \sqrt{4\pi}$ को लागू करना।

मुख्य योगदान

फेनोमेनोलॉजिकल फ्लक्स मैचिंग: लेख अनुमत फ्लक्स-मैचिंग विश्लेषण (न कि एक कठोर इवेंट-लेवल लाइकलीहुड विश्लेषण) करता है ताकि आवश्यक कपलिंग $g_X$ निर्धारित की जा सके, जो देखे गए न्यूट्रिनो इवेंट्स को संतृप्त (saturate) करने के लिए आवश्यक है।
पैरामीटर स्पेस मैपिंग: यह विभिन्न चार्ज असाइनमेंट ( $x_H = -1, 0, 1, 2$ ) और डार्क मैटर चार्ज ( $n_\chi = 100, 10000$ ) के लिए व्यवहार्य पैरामीटर स्पेस $[g_X, M_{Z'}]$ को मैप करता है।
बहु-संदेश संश्लेषण (Multi-Messenger Synthesis): यह कार्य एक ही $U(1)_X$ ढांचे के भीतर उच्च-ऊर्जा न्यूट्रिनो टेलिस्कोप, लो-एनर्जी बीम-डंप प्रयोगों, कोलाइडर खोजों (LHC, LEP) और भविष्य के GW डिटेक्टरों के प्रतिबंधों को अनूठे रूप से जोड़ता है।
फ्रीज़-इन व्यवहार्यता: यह विशेष रूप से फ्रीज़-इन तंत्र के लिए आवश्यक अत्यंत सूक्ष्म कपलिंग ( $g_X \lesssim 10^{-5}$ ) के लिए प्रतिस्पर्धी बाधाएं प्रदान करने हेतु फ्रीज़-इन तंत्र का अन्वेषण करता है, विशेष रूप से जब $M_{Z'} \gtrsim 1$ TeV हो।

परिणाम

न्यूट्रिनो टेलिस्कोप प्रतिबंध: $M_{Z'}$ के 100 GeV से $10^5$ GeV की सीमा में, IceCube (NGC 1068 और TXS 0506+056), ANTARES, और Baikal-GVD से प्राप्त सीमाएं $n_\chi = 100$ के लिए परटर्बेटिविटी लिमिट से अधिक मजबूत पाई गई हैं। उच्च चार्ज ( $n_\chi = 10000$ ) के लिए, ये सीमाएं $M_{Z'}$ के 10 GeV से $10^4$ GeV के बीच परटर्बेटिविटी लिमिट के प्रतिस्पर्धी या उससे अधिक मजबूत हैं।
अन्य प्रयोगों के साथ तुलना:
- $M_{Z'} < 70$ GeV के लिए, न्यूट्रिनो टेलिस्कोप से प्राप्त प्रतिबंध LHCb, CMS, और BaBaR में डार्क फोटॉन खोजों की तुलना में कमजोर हैं।
- $M_{Z'} \lesssim 1$ GeV के लिए, बीम-डंप और लो-एनर्जी स्कैटरिंग प्रयोग (जैसे BOREXINO, COHERENT) सबसे कड़े प्रतिबंध प्रदान करते हैं।
- $M_{Z'} \gtrsim 1$ TeV के लिए, न्यूट्रिनो टेलिस्कोप वर्तमान कोलाइडर सीमाओं के तुल्य या उनसे अधिक मजबूत प्रतिबंध प्रदान करते हैं।
फ्रीज़-इन बाउंड्स: फ्रीज़-इन तंत्र $1 \text{ GeV} \le M_{Z'} \le 10^4 \text{ GeV}$ के लिए $7 \times 10^{-8} \lesssim g_X < 10^{-4}$ की सीमा में कड़े प्रतिबंध लगाता है, जो इस द्रव्यमान रेंज में स्कैटरिंग प्रयोगों या परटर्बेटिविटी की तुलना में काफी अधिक सख्त हैं।
गुरुत्वाकर्षण तरंगें: विश्लेषण इंगित करता है कि भविष्य के GW डिटेक्टर (जैसे LISA, BBO, DECIGO, ET) $M_{Z'} \gtrsim 1$ TeV के अनुरूप समरूपता-विघटन स्केल $v_\Phi$ की जांच कर सकते हैं, जो न्यूट्रिनो डेटा के पूरक प्रतिबंध प्रदान करते हैं।
मोनोक्रोमैटिक सिग्नल: मॉडल $E_\nu \approx m_\chi = 3M_{Z'}$ पर एक मोनोक्रोमैटिक न्यूट्रिनो लाइन की भविष्यवाणी करता है। देखा गया फ्लक्स डिटेक्टर रेजोल्यूशन द्वारा विस्तृत (broadened) होता है, जिससे बिन्ड (binned) प्रायोगिक डेटा के साथ तुलना संभव होती है।

महत्व और दावे
यह शोध पत्र दावा करता है कि उच्च-ऊर्जा खगोलीय स्रोतों से प्राप्त न्यूट्रिनो अवलोकन, SM के UV-पूर्ण $U(1)$ विस्तारों में डार्क मैटर विलोपन के लिए एक शक्तिशाली प्रोब के रूप में कार्य कर सकते हैं। विशेष रूप से, यह रेखांकित करता है कि:

न्यूट्रिनो टेलिस्कोप फ्रीज़-इन शासन (regime) में डार्क मैटर-SM अंतःक्रियाओं की जांच कर सकते हैं, जो एक ऐसा पैरामीटर स्पेस है जो अक्सर प्रत्यक्ष पहचान या मानक कोलाइडर खोजों के लिए अप्राप्य होता है क्योंकि वहां अंतःक्रियाएं अत्यंत कमजोर होती हैं।
एकल अल्ट्रा-हाई-एनर्जी इवेंट्स (जैसे KM3-230213A) और अन्य प्रयोगों में संबंधित घटनाओं की कमी के बीच का तनाव, डार्क मैटर विलोपन को एक स्रोत के रूप में खोजने के लिए प्रेरित करता है, हालांकि लेखक सावधानी बरतते हैं कि उनके परिणाम "फ्लक्स-मैचिंग अनुमान" हैं न कि सिंगल-इवेंट लाइकलीहुड से प्राप्त सांख्यिकीय रूप से कठोर बहिष्करण सीमाएं।
न्यूट्रिनो फ्लक्स डेटा, अवशेष प्रचुरता आवश्यकताओं (फ्रीज़-इन), और गुरुत्वाकर्षण तरंग हस्ताक्षरों के बीच का परस्पर संबंध, भारी $Z'$ बोसॉन के लिए कोलाइडर संवेदनशीलता कम होने पर $[g_X, M_{Z'}]$ पैरामीटर स्पेस को बाधित करने के लिए एक व्यापक, मल्टी-मैसेंजर दृष्टिकोण प्रदान करता है।

लेखक एक मध्यम स्वर बनाए रखते हैं, इस बात पर जोर देते हुए कि उनका विश्लेषण रूढ़िवादी मान्यताओं (जैसे देखे गए इवेंट्स को डार्क मैटर सिग्नल्स द्वारा संतृप्त करना) पर निर्भर करता है, और प्राप्त सीमाओं को निश्चित बहिष्करण के बजाय व्यवहार्य पैरामीटर स्पेस के सूचक के रूप में देखा जाना चाहिए।