Direct detection of electromagnetically interacting ultraheavy dark matter

ब्रह्मांड अदृश्य पदार्थ से भरा है जो आकाशगंगाओं को एक साथ थामे रखता है, फिर भी हमने इसका एक भी कण नहीं देखा है। वैज्ञानिक इसे "डार्क मैटर" कहते हैं, और दशकों से, प्रमुख सिद्धांत यह रहा है कि यह भारी, धीमी गति वाले कणों से बना है जो साधारण प्रकाश या पदार्थ के साथ बहुत कम परस्पर क्रिया करते हैं। हालाँकि, एक शांत संभावना बनी हुई है: क्या होगा यदि इस डार्क मैटर के कुछ हिस्सों पर एक सूक्ष्म, धुंधला विद्युत आवेश (इलेक्ट्रिक चार्ज) हो? यदि ऐसा है, तो यह प्रकाश के फोटॉन के साथ, चाहे कितनी भी कमजोर तरह से, परस्पर क्रिया करेगा, जिससे छिपे हुए क्षेत्र और हमारे दृश्य जगत के बीच एक सेतु बन जाएगा। यह विचार, जिसे "मिलीचार्ज्ड" (millicharged) डार्क मैटर के रूप में जाना जाता है, सुझाव देता है कि ये कण इतने हल्के हो सकते हैं कि डिटेक्टरों से निकल जाएं या इतने भारी हो सकते हैं कि उन्हें भेदकर निकल जाएं, यह उनके द्रव्यमान पर निर्भर करता है। प्रश्न यह बना हुआ है कि क्या हम उन्हें पकड़ सकते हैं, और यदि हाँ, तो वे कितने भारी हो सकते हैं इससे पहले कि हमारे वर्तमान उपकरण उन्हें देखने में पूरी तरह असमर्थ हो जाएं।

भौतिकविदों की एक टीम ने अब इन मायावी कणों को खोजने की हमारी क्षमता की सीमाओं का मानचित्र तैयार किया है, विशेष रूप से सबसे भारी संभावित उम्मीदवारों पर ध्यान केंद्रित करते हुए। उन्होंने डार्क मैटर को पकड़ने के लिए डिज़ाइन किए गए विभिन्न प्रकार के भूमिगत प्रयोगों के डेटा का परीक्षण किया, जिसमें लिक्विड जेनन (liquid xenon) के विशाल टैंक, लिक्विड आर्गन से भरे कक्ष, और बबल चैंबर (bubble chambers) शामिल हैं जो उबलते तरल के सूक्ष्म विस्फोटों का पता लगाते हैं। उनका लक्ष्य यह निर्धारित करना था कि ये कण कितने भारी हो सकते हैं इससे पहले कि डिटेक्टर स्वयं उनके प्रति अंधे हो जाएं। शोधकर्ताओं ने पाया कि विद्युत आवेश के माध्यम से परस्पर क्रिया करने वाले कणों के लिए, एक कठोर सीमा है कि उनमें कितना आवेश हो सकता है इससे पहले कि उन्हें उन सुरक्षा प्रणालियों द्वारा खारिज कर दिया जाए जो प्रयोगों की रक्षा के लिए डिज़ाइन की गई हैं। यह सीमा, या "सीलिंग" (छत), पूरी तरह से उपयोग किए जाने वाले डिटेक्टर के प्रकार पर निर्भर करती है।

यह अध्ययन एक विशिष्ट प्रकार के डिटेक्टर के लिए एक आश्चर्यजनक लाभ प्रकट करता है: बबल चैंबर। अधिकांश प्रयोगों में, जैसे कि लिक्विड जेनन का उपयोग करने वाले प्रयोग, डिटेक्टर इतने संवेदनशील होते हैं कि यदि डार्क मैटर में थोड़ा सा भी विद्युत आवेश होता, तो वे इलेक्ट्रॉनों के संकेतों की बाढ़ देख लेते। इस शोर से अभिभूत होने से बचने के लिए, ये प्रयोग किसी भी ऐसे इवेंट को स्वचालित रूप से हटा देते हैं जो इलेक्ट्रॉन की परस्पर क्रिया जैसा दिखता है। फलस्वरूप, यदि डार्क मैटर बहुत अधिक आवेशित है, तो यह इस वीटो (veto) प्रणाली को सक्रिय कर देता है और इसे discarded (खारिज) कर दिया जाता है, जिससे प्रयोग इसे देखने में असमर्थ हो जाता है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि लिक्विड जेनन और सेमीकंडक्टर डिटेक्टरों के लिए, यह डार्क मैटर के आवेश के लिए एक सख्त ऊपरी सीमा बनाता है। हालांकि, बबल चैंबर अलग तरह से काम करते हैं। उन्हें इलेक्ट्रॉनों द्वारा छोड़े गए सूक्ष्म संकेतों को अनदेखा करने और केवल परमाणु नाभिकों (atomic nuclei) के भारी, जोरदार प्रहारों पर प्रतिक्रिया करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। क्योंकि उनके पास इलेक्ट्रॉन संकेतों को खारिज करने वाली कोई स्वचालित प्रणाली नहीं है, इसलिए वे इसी तरह की 'सीलिंग' से ग्रस्त नहीं होते हैं।

यह अंतर PICO-60 नामक बबल चैंबर प्रयोग को संभावनाओं के एक विशाल क्षेत्र को तलाशने की अनुमति देता है जिसे अन्य डिटेक्टर नहीं पहुँच सकते। टीम ने पाया कि PICO-60, डार्क मैटर के विद्युत आवेश को लिक्विड जेनन प्रयोगों की तुलना में दो क्रम (two orders) अधिक उच्च स्तर तक सीमित कर सकता है, और यह उन कणों के लिए किया जा सकता है जिनका द्रव्यमान एक क्रम (one order) अधिक है। यह खोज हमारे ज्ञान के एक बड़े अंतराल को प्रभावी ढंग से भर देती है, जिससे भारी, मिलीचार्ज्ड डार्क मैटर की एक विस्तृत श्रेणी खारिज हो जाती है जो पहले अनियंत्रित थी। उन कणों के लिए जिनका द्रव्यमान एक निश्चित सीमा से नीचे है, यह परिणाम प्रत्यक्ष पहचान (direct detection) प्रयोगों और न्यूट्रिनो प्रयोगों के बीच के अंतर को पाट देता है जिन्होंने पहले ही इसे खारिज कर दिया है।

शोधकर्ताओं ने प्रकाश के साथ डार्क मैटर के परस्पर क्रिया करने के अन्य तरीकों को भी देखा, जैसे कि एक चुंबकीय या विद्युत द्विध्रुव आघूर्ण (dipole moment) होना, या एक विशिष्ट आंतरिक आकार जिसे चार्ज रेडियस (charge radius) कहा जाता है। इस प्रकार की परस्पर क्रियाओं के लिए, "सीलिंग" की समस्या मौजूद नहीं है क्योंकि वे जो संकेत उत्पन्न करते हैं वे डिटेक्टरों को उसी तरह से अभिभूत नहीं करते हैं। टीम ने इन परिदृश्यों के लिए सीमाओं की भी गणना की, जिससे 10^17 GeV तक के डार्क मैटर द्रव्यमान के लिए ज्ञात बाधाओं का विस्तार हुआ। यह एक अत्यंत उच्च द्रव्यमान है, जो वर्तमान कण त्वरकों (particle colliders) द्वारा उत्पादित की जाने वाली क्षमता से कहीं अधिक है, जो सबसे भारी संभावित डार्क मैटर उम्मीदवारों के बारे में हमारी जानकारी की सीमाओं को आगे बढ़ाता है।

भविष्य की ओर देखते हुए, अध्ययन यह रूपरेखा प्रस्तुत करता है कि भविष्य के, और भी बड़े डिटेक्टर क्या हासिल कर सकेंगे। आने वाले वर्षों में नियोजित प्रयोग, जैसे कि मल्टी-टन स्केल के DarkSide-20k और DARWIN, इस पैरामीटर स्पेस में और भी गहराई तक जा सकेंगे। शोधकर्ताओं का सुझाव है कि अपने डेटा का विश्लेषण करने के तरीके को परिष्कृत करके, विशेष रूप से इस बात को समायोजित करके कि क्या बैकग्राउंड सिग्नल माना जाए, मिलीचार्ज्ड डार्क मैटर पर वर्तमान सीमाओं को और भी ऊंचा उठाया जा सकता है। जबकि पृथ्वी की पपड़ी और वायुमंडल इन भारी कणों को भूमिगत प्रयोगशालाओं तक पहुँचने से रोक सकते हैं, गणनाओं से पता चलता है कि सबसे भारी उम्मीदवारों के लिए, यह प्रभाव नगण्य है। यह कार्य एक स्पष्ट मार्गदर्शिका प्रदान करता है कि सबसे भारी, सूक्ष्म रूप से आवेशित डार्क मैटर की खोज आज कहाँ खड़ी है और कल उसे कहाँ जाना चाहिए।