Searching for Ultralight Dark Matter with M{ö}ssbauer Resonance

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड एक रहस्यमय, अदृश्य महासागर से भरा हुआ है जो इसके अधिकांश द्रव्यमान का निर्माण करता है, फिर भी हम इसे देख, छू या सूंघ नहीं सकते। वैज्ञानिक इसे "डार्क मैटर" (dark matter) कहते हैं। हम जानते हैं कि यह वहाँ मौजूद है क्योंकि इसका गुरुत्वाकर्षण एक अदृश्य हाथ की तरह कार्य करता है, जो आकाशगंगाओं को एक साथ थामे रखता है और प्रकाश को मोड़ता है, लेकिन हमारे पास कोई विचार नहीं है कि वास्तव में यह किस चीज से बना है। एक रोमांचक विचार यह है कि यह "अल्ट्रालाइट" (ultralight) कणों से बना हो सकता है—जो इतने हल्के और तरंग रूपी हैं कि वे एक छोटे बिलियर्ड बॉल के बजाय एक विशाल, गूँजती हुई ध्वनि तरंग की तरह व्यवहार करते हैं। यदि ये तरंगें मौजूद हैं, तो वे हमारे चारों ओर की हर चीज़ के परमाणुओं को धीरे से धकेल सकती हैं, जिससे उनकी ऊर्जा में सूक्ष्म, लयबद्ध बदलाव आ सकते हैं। बड़ा सवाल यह है कि क्या हम एक ऐसा डिटेक्टर बना सकते हैं जो इन सूक्ष्म धक्कों को महसूस करने के लिए पर्याप्त संवेदनशील हो?

इस प्रश्न का उत्तर देने के लिए, भौतिक विज्ञानी "मोसबौअर प्रभाव" (Mössbauer effect) नामक एक तरकीब का उपयोग करते हैं। इसे परमाणुओं के लिए परम "ट्यूनिंग फोर्क" (tuning fork) के रूप में समझें। सामान्यतः, जब एक परमाणु एक फोटॉन (प्रकाश का कण) उत्सर्जित करता है, तो वह एक गोली चलाने वाली बंदूक की तरह पीछे की ओर झटका (recoil) लेता है, जिससे थोड़ी सी ऊर्जा कम हो जाती है। लेकिन मोसबौअर प्रभाव में, परमाणु एक ठोस क्रिस्टल के भीतर लॉक होता है, इसलिए पूरा क्रिस्टल उस झटके को झेल लेता है। यह इस प्रक्रिया को अविश्वसनीय रूप से सटीक बनाता है, जैसे कि एक लेजर बीम जो कभी नहीं डगमगाती। यदि डार्क मैटर की कोई सूक्ष्म तरंग गुजरती है, तो वह परमाणु की ऊर्जा को थोड़ा बदल सकती है, जिससे यह सटीक ट्यूनिंग फोर्क अपनी लय से भटक सकता है। इस "ट्यूनिंग" में होने वाले बदलाव को मापकर, वैज्ञानिक डार्क मैटर के अदृश्य महासागर की एक झलक पाने की उम्मीद करते हैं।

"सर्चिंग फॉर अल्ट्रालाइट डार्क मैटर विद मोसबौअर रेजोनेंस" (Searching for Ultralight Dark Matter with Mössbauer Resonance) शीर्षक वाला यह शोध पत्र, इन ब्रह्मांडीय फुसफुसाहटों को सुनने का एक चतुर नया तरीका प्रस्तावित करता है। लेखक, जो चीन के शोधकर्ताओं की एक टीम है, एक स्थिर प्रयोग स्थापित करने का सुझाव देते हैं जहाँ इन अत्यंत सटीक फोटॉनों का एक स्रोत नीचे स्थित होगा और एक डिटेक्टर ऊपर स्थित होगा, जो एक निश्चित दूरी पर अलग होंगे। वे पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण को एक पैमाने (ruler) के रूप में उपयोग करने पर भरोसा करते हैं। जिस तरह ऊपर फेंकी गई गेंद धीमी हो जाती है और ऊर्जा खो देती है, उसी तरह गुरुत्वाकर्षण के विरुद्ध ऊपर की ओर यात्रा करने वाला फोटॉन भी थोड़ी ऊर्जा खो देता है (एक घटना जिसे ग्रेविटेशनल रेडशिफ्ट कहा जाता है)। इस प्रयोग में, यदि डार्क मैटर परमाणुओं को धकेल रहा है, तो यह स्रोत और डिटेक्टर के बीच एक बेमेल स्थिति पैदा करेगा। इस बेमेल को ठीक करने के लिए और फोटॉनों को फिर से अवशोषित करने के लिए, डिटेक्टर को सूक्ष्म मात्रा में ऊपर या नीचे ले जाना होगा। इस ऊर्ध्धर स्थिति को स्कैन करके, टीम को उम्मीद है कि वे उस सटीक स्थान को पा लेंगे जहाँ डार्क मैटर का "धक्का" छिपा हुआ है।

शोधकर्ताओं ने इन प्रयोगों का अनुकरण (simulate) करने के लिए दो विशिष्ट प्रकार के परमाणुओं का उपयोग किया: सिल्वर-109 ($^{109}\text{Ag}$) और स्कैंडियम-45 ($^{45}\text{Sc}$)। उन्होंने पाया कि सिल्वर-109 इस समूह का सुपरस्टार है। क्योंकि इसके ऊर्जा स्तर अविश्वसनीय रूप से तीक्ष्ण हैं, यह सैद्धांतिक रूप से फोटॉनों के साथ अंतःक्रिया के लिए $10^{-19}$ GeV$^{-1}$, ग्लूऑन्स (gluons) के लिए $10^{-22}$ GeV$^{-1}$, और क्वार्क्स (quarks) के लिए $10^{-21}$ GeV$^{-1}$ जितने छोटे बदलावों का पता लगा सकता है। ये संख्याएँ दर्शाती हैं कि डार्क मैटर परमाणुओं के साथ कितनी मजबूती से संवाद कर सकता है। हालाँकि टीम ने वास्तव में यह मशीन नहीं बनाई और न ही अभी डार्क मैटर खोजा है, लेकिन उनके कंप्यूटर सिमुलेशन बताते हैं कि यदि इस प्रकार के अल्ट्रालाइट डार्क मैटर मौजूद हैं, तो यह सेटअप उन्हें पकड़ सकता है। वास्तव में, सिल्वर-109 के लिए संवेदनशीलता इतनी उच्च है कि यह इक्विवेलेंस प्रिंसिपल (Equivalence Principle - जो यह जाँचता है कि क्या गुरुत्वाकर्षण सभी चीजों पर समान रूप से कार्य करता है) के सर्वोत्तम वर्तमान परीक्षणों की बराबरी कर सकती है, विशेष रूप से हल्के डार्क मैटर द्रव्यमान के लिए।

शोध पत्र ने स्कैंडियम-45 पर भी विचार किया। हालाँकि यह एक अच्छा विकल्प है, लेकिन पारंपरिक रेडियोधर्मी स्रोतों के साथ इसका उपयोग करना थोड़ा कठिन है क्योंकि यह पर्याप्त फोटॉन उत्पन्न नहीं करता है। हालाँकि, लेखक सुझाव देते हैं कि यदि हम स्कैंडियम परमाणुओं को उत्तेजित करने के लिए एक सुपर-ब्राइट एक्स-रे लेजर (जैसे यूरोपीय XFEL) का उपयोग करते हैं, तो यह अच्छी तरह से काम कर सकता है। उनके सिमुलेशन दिखाते हैं कि जबकि सिल्वर-109 वर्तमान में डार्क मैटर तरंगों को सुनने के लिए सबसे मजबूत "कान" प्रदान करता है, स्कैंडियम दृष्टिकोण उन्नत लेजर का उपयोग करके भविष्य के लिए एक शक्तिशाली उपकरण बन सकता है, विशेष रूप से यदि हम और भी अधिक चमकदार प्रकाश स्रोत बना सकें।

अंततः, यह कार्य यह सिद्ध नहीं करता है कि अल्ट्रालाइट डार्क मैटर मौजूद है, न ही यह इसे खारिज करता है। इसके बजाय, यह देखने के लिए एक मानचित्र तैयार करता है। यह सुझाव देता है कि मोसबौअर स्पेक्ट्रोस्कोपी की अविश्वसनीय सटीकता का उपयोग करके, हम $10^{-18}$ और $10^{-8}$ eV के बीच डार्क मैटर द्रव्यमान की एक सीमा की जांच कर सकते हैं। यदि ब्रह्मांड वास्तव में इन अल्ट्रालाइट तरंगों के साथ गूँज रहा है, तो यह शोध पत्र तर्क देता है कि एक मोसबौअर-आधारित प्रयोग वह माइक्रोफोन हो सकता है जो उन्हें सुनने के लिए पर्याप्त संवेदनशील हो, जो भौतिक विज्ञान के सबसे बड़े रहस्यों में से एक को सुलझाने का एक नया और प्रतिस्पर्धी तरीका प्रदान करता है।