Multiple Axions in Laboratory Experiments
यह शोध पत्र कई एक्सियन प्रजातियों (axion species) के शामिल होने वाले एक्सियन-फोटॉन दोलनों (axion-photon oscillations) के लिए सामान्य सूत्र विकसित करता है, जो यह प्रदर्शित करता है कि उनके हस्तक्षेप (interference) और सुसंगतता (coherence) प्रभाव लाइट-शाइनिंग-थ्रू-ए-वॉल, हेलियोस्कोप और हेलोस्कोप खोजों में प्रयोगात्मक संकेतों को गुणात्मक रूप से बदल सकते हैं, बढ़ा सकते हैं या कम कर सकते हैं, जिससे एक्सियन बहुलता (axion multiplicity) की पहचान करने और उसे लक्षणबद्ध करने के नए मार्ग प्रशस्त होते हैं।
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हमारे ब्रह्मांड के ताने-बाने की गहराइयों में, भौतिकविदों को संदेह है कि प्रकाश और पदार्थ की कहानी में मानक मॉडल (standard model) की वर्तमान व्याख्या से कहीं अधिक कुछ हो सकता है। दशकों तक, हिग्स बोसान (Higgs boson) की खोज ने इस बात की पुष्टि की कि अदृश्य क्षेत्र कणों को द्रव्यमान दे सकते हैं, लेकिन इसने अन्य, हल्के क्षेत्रों के लिए भी द्वार खुला छोड़ दिया जो शायद प्रत्यक्ष रूप से हमारी नज़रों के सामने छिपे हुए हो सकते हैं। इन छिपे हुए क्षेत्रों के सबसे सम्मोहक उम्मीदवारों में से एक 'एक्सियन' (axion) है, जो एक काल्पनिक कण है जिसे मूल रूप से इस पहेली को सुलझाने के लिए प्रस्तावित किया गया था कि मजबूत परमाणु बल (strong nuclear force) इस तरह से व्यवहार क्यों करता है। जबकि मानक कहानी केवल एक प्रकार के एक्सियन की कल्पना करती है, कई आधुनिक सिद्धांत, विशेष रूप से अतिरिक्त आयामों या स्ट्रिंग थ्योरी के विशाल परिदृश्य से जुड़े सिद्धांत, यह सुझाव देते हैं कि प्रकृति कहीं अधिक घनी हो सकती है। ये सिद्धांत केवल एक एक्सियन की नहीं, बल्कि उनके एक पूरे स्पेक्ट्रम की भविष्यवाणी करते हैं—एक ऐसे कणों का परिवार जिनके द्रव्यमान और परस्पर क्रिया की ताकत थोड़ी भिन्न होती है, जो सभी खोजे जाने की प्रतीक्षा कर रहे हैं।
यह प्रश्न कि क्या ये कण अकेले मौजूद हैं या एक भीड़ के रूप में, केवल गिनती का मामला नहीं है; यह मौलिक रूप से इस बात को बदल देता है कि हम उन्हें कैसे खोजते हैं। यदि केवल एक ही एक्सियन मौजूद है, तो खोज एक विशिष्ट संकेत के लिए एक सीधा शिकार है। लेकिन यदि एक पूरा परिवार मौजूद है, तो वे एक-दूसरे के साथ उन तरीकों से परस्पर क्रिया कर सकते हैं जो एक एकल कण के लिए असंभव हैं। वे एक-दूसरे के संकेतों को सुदृढ़ कर सकते हैं, जिससे उन्हें पहचानना आसान हो जाता है, या वे एक-दूसरे को रद्द कर सकते हैं, जिससे सबूत पूरी तरह से छिप जाते हैं। यह वह मुख्य रहस्य है जिसे डर्हम यूनिवर्सिटी, हीडलबर्ग यूनिवर्सिटी और जापान के हाई एनर्जी एक्सेलेरेटर रिसर्च ऑर्गनाइजेशन के शोधकर्ताओं द्वारा किए गए एक नए अध्ययन में हल करने का प्रयास किया गया है। उन्होंने प्रयोगशाला में इन कणों के व्यवहार के बारे में सोचने का एक नया तरीका विकसित किया है, जो यह दर्शाता है कि कई एक्सियनों की उपस्थिति उन प्रयोगों के परिणाम को पूरी तरह से बदल सकती है जो उन्हें खोजने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं।
शोधकर्ताओं के दृष्टिकोण को समझने के लिए, एक शांत कमरे में एक अकेली आवाज़ सुनने और एक समूह (choir) को सुनने के बीच के अंतर की कल्पना करें। एक्सियनों की मानक खोज में, वैज्ञानिक एक एकल गायक (soloist) को सुनने की तरह कार्य करते हैं। वे एक शक्तिशाली लेजर बीम को एक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र के माध्यम से प्रवाहित करते हैं। यदि एक्सियन मौजूद हैं, तो कुछ प्रकाश इन अदृश्य कणों में बदल जाना चाहिए और एक ठोस दीवार के पार निकल जाना चाहिए जो प्रकाश को रोकता है। दीवार के दूसरी ओर, दूसरा चुंबकीय क्षेत्र एक्सियनों को वापस प्रकाश में बदल देता है, जिसे डिटेक्टर देख सकते हैं। इसे "लाइट-शाइनिंग-थ्रू-ए-वॉल" (light-shining-through-a-wall) प्रयोग के रूप में जाना जाता है। यदि केवल एक ही एक्सियन मौजूद है, तो पुनः प्रकट होने वाले प्रकाश की मात्रा इस बात पर निर्भर करती है कि चुंबकीय क्षेत्र कितने लंबे हैं और प्रकाश के साथ एक्सियन का संबंध कितना मजबूत है।
हालाँकि, नया अध्ययन बताता है कि यदि कई एक्सियन मौजूद हैं, तो यह प्रक्रिया तरंगों की एक जटिल परस्पर क्रिया बन जाती है। जब लेजर प्रकाश एक्सियनों में परिवर्तित होता है, तो यह केवल एक प्रकार में नहीं बदलता; यह एक साथ सभी अलग-अलग एक्सियन प्रजातियों का मिश्रण बनाता है। जैसे ही ये एक्सियन दीवार के माध्यम से यात्रा करते हैं, वे आगे बढ़ते और विकसित होते रहते हैं। चूंकि इस परिवार का प्रत्येक एक्सियन थोड़ा अलग द्रव्यमान रखता है, इसलिए वे थोड़े अलग वेग से चलते हैं। इसके कारण वे एक-दूसरे के तालमेल से भटक जाते हैं, जिसे 'डिकोहेरेंस' (decoherence) नामक घटना कहा जाता है। यदि दीवार पतली है या एक्सियन बहुत हल्के हैं, तो वे तालमेल बनाए रखते हैं, और उनके प्रभाव एक साथ जुड़ जाते हैं, जिससे संकेत उम्मीद से कहीं अधिक उज्ज्वल हो सकता है। लेकिन यदि दीवार मोटी है या एक्सियनों का द्रव्यमान भिन्न है, तो वे तालमेल से भटक सकते हैं और एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप कर सकते हैं, जिससे कभी-कभी संकेत पूरी तरह से समाप्त हो जाता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह हस्तक्षेप विनाशकारी हो सकता है, जिसका अर्थ है कि अधिक एक्सियन होने से वास्तव में प्रयोग कम संवेदनशील हो सकता है, जिससे एक ऐसा संकेत गायब हो सकता है जहाँ एक एकल एक्सियन दृश्यमान होता।
टीम ने स्ट्रिंग थ्योरी और अतिरिक्त आयामों से प्रेरित विशिष्ट सिद्धांतों पर आधारित कंप्यूटर मॉडल का उपयोग करके इन विचारों का परीक्षण किया। उन्होंने केवल एक से लेकर सौ तक के विभिन्न एक्सियनों की संख्या वाले प्रयोगों का अनुकरण किया। उनके गणनाओं ने दिखाया कि कुछ परिदृश्यों में, संकेत एक्सियनों की संख्या के वर्ग (square) से बढ़ सकता है, जो एक विशाल वृद्धि है। अन्य मामलों में, संकेत केवल रैखिक रूप से बढ़ेगा, या विभिन्न द्रव्यमानों के अराजक हस्तक्षेप के कारण पूरी तरह से दब जाएगा। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने प्रदर्शित किया कि यह व्यवहार यादृच्छिक शोर (random noise) नहीं है बल्कि एक पूर्वानुमेय पैटर्न है। चुंबकीय क्षेत्रों की लंबाई या दीवार की मोटाई को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, वैज्ञानिक हस्तक्षेप पैटर्न को बदल सकते हैं। इसका अर्थ है कि यदि कोई संकेत मिलता है, तो शोधकर्ता यह देखकर यह अंतर कर सकते हैं कि वह एक एकल एक्सियन से आता है या एक पूरे परिवार से, कि सेटअप में बदलाव करने पर संकेत कैसे बदलता है।
अध्ययन ने इन कणों की खोज के अन्य तरीकों को भी देखा, जैसे कि हेलियोस्कोप (helioscopes), जो सूर्य से आने वाले एक्सियनों की तलाश करते हैं, और हेलोस्कोप (haloscopes), जो हमारी आकाशगंगा के चारों ओर डार्क मैटर के रूप में मौजूद एक्सियनों की खोज करते हैं। सौर एक्सियनों के मामले में, शोधकर्ताओं ने पाया कि सूर्य एक विशाल उत्पादन कारखाने की तरह कार्य करता है, जो एक्सियनों की एक निरंतर धारा भेजता है। यदि कई एक्सियन मौजूद हैं, तो उनके विभिन्न द्रव्यमान डिटेक्टर में प्रकाश के उत्पादन की ऊर्जा में एक जटिल पैटर्न बनाएंगे। डिटेक्टर के भीतर प्रकाश के गुणों को बदलने के लिए एक बफर गैस का उपयोग करके, वैज्ञानिक प्रयोग को विशिष्ट एक्सियन द्रव्यमानों के साथ अनुनाद (resonate) करने के लिए ट्यून कर सकते हैं, जिससे एक एकल रेखा के बजाय स्पेक्ट्रम के शिखर (peaks) प्रकट होंगे। डार्क मैटर की खोज के लिए, कई एक्सियनों की उपस्थिति का अर्थ है कि हमारे पड़ोस में डार्क मैटर एक एकल समान पदार्थ नहीं है, बल्कि विभिन्न प्रकार के मिश्रणों का एक संयोजन है, जिनमें से प्रत्येक अपनी स्वयं की आवृत्ति पर कंपन करता है।
इस कार्य के निहितार्थ कण भौतिकी के भविष्य के लिए महत्वपूर्ण हैं। यह सुझाव देता है कि एक्सियनों की खोज केवल एक एकल, स्थिर रणनीति पर निर्भर नहीं हो सकती। इसके बजाय, प्रयोगों को लचीला होना चाहिए, जो एक्सियन सेक्टर की अंतर्निहित संरचना को मानचित्रित करने के लिए विभिन्न मापदंडों को स्कैन करने में सक्षम हों। यदि प्रकृति ने ब्रह्मांड को एक्सियनों के एक विविध परिवार से सुसज्जित करना चुना है, तो नए सूत्र उस विविधता को डिकोड करने के लिए उपकरण प्रदान करते हैं। शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि जबकि एक एकल एक्सियन को एक सरल सेटअप में खोजना आसान हो सकता है, कई एक्सियनों की उपस्थिति एक समृद्ध, हालांकि अधिक जटिल, हस्ताक्षर प्रदान करती है। यह समझते हुए कि ये कण कैसे हस्तक्षेप और सहयोग करते हैं, वैज्ञानिक एक संभावित मृत अंत को एक नैदानिक उपकरण (diagnostic tool) में बदल सकते हैं, जिससे हस्तक्षेप की क्रिया का उपयोग करके एक्सियनों की संख्या गिनने और उनके गुणों को मापने के लिए किया जा सके। यह लक्ष्य को केवल एक कण खोजने से बदलकर ब्रह्मांड के छिपे हुए क्षेत्र की वास्तुकला को समझने की ओर ले जाता है, जिससे प्रयोगशाला प्रयोग अदृश्य दुनिया के लिए शक्तिशाली स्पेक्ट्रोस्कोप बन जाते हैं।
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