Probing Dark Matter annihilation in the Galactic Centre with TRIDENT
यह शोध पत्र यह प्रदर्शित करता है कि TRIDENT न्यूट्रिनो टेलीस्कोप कैस्केड घटनाओं का लाभ उठाकर और गैलेक्टिक न्यूट्रिनो की एक पूर्व में अनदेखी की गई पृष्ठभूमि को ध्यान में रखते हुए, गैलेक्टिक सेंटर में डार्क मैटर विलोपन (एनीहिलेशन) के लिए थर्मल फ्रीज-आउट बेंचमार्क से आगे निकल जाएगा, जिससे पैरामीटर स्पेस के अनपरीक्षित क्षेत्रों की जांच की जा सकेगी।
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द दशकों से, खगोलविदों को पता है कि हमारी आकाशगंगा में दिखने वाले तारे और गैस इसके कुल द्रव्यमान का केवल एक छोटा सा हिस्सा बनाते हैं। बाकी एक अदृश्य पदार्थ है जिसे डार्क मैटर (dark matter) कहा जाता है, जो केवल अपने गुरुत्वाकर्षण के माध्यम से प्रकट होता है, जो आकाशगंगाओं को एक साथ थामे रखता है और ब्रह्मांड को आकार देता है। हालांकि हम इसे देख नहीं सकते, भौतिकविदों को संदेह है कि डार्क मैटर के कण कभी-कभी आपस में टकरा सकते हैं और विलीन हो सकते हैं, जिससे ऊर्जा का एक विस्फोट होता है जो अन्य कणों, जिसमें न्यूट्रिनो भी शामिल हैं, को उत्पन्न करता है। ये रहस्यमयी कण लगभग पूरी तरह से निर्बाध रूप से ब्रह्मांड में दौड़ते हैं, जो आकाशगंगा के हृदय से एक सीधा संदेश लेकर आते हैं। चुनौती यह है कि ब्रह्मांड कॉस्मिक किरणों द्वारा गैस से टकराने से उत्पन्न न्यूट्रिनो की एक शोर भरी पृष्ठभूमि से भी भरा हुआ है, जिससे डार्क मैटर के धुंधले संकेत को पहचानना कठिन हो जाता है। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिक गहरे समुद्र के नीचे विशाल नए डिटेक्टर बना रहे हैं, इस उम्मीद में कि वे इन दुर्लभ घटनाओं को पकड़ सकें और अंततः अदृश्य ब्रह्मांड के स्वरूप को प्रकट कर सकें।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब यह सिम्युलेट किया है कि भविष्य के गहरे समुद्र के टेलीस्कोप द्वारा, जिसे दक्षिण चीन सागर में स्थापित करने की योजना है, इन संकेतोंों की खोज कैसे की जाएगी। यह उपकरण, जिसे TRIDENT के रूप में जाना जाता है, अब तक के सबसे बड़े न्यूट्रिनो डिटेक्टरों में से एक होने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जो समुद्री जल के कई घन किलोमीटर तक फैला हुआ है। शोधकर्ताओं ने विस्तृत कंप्यूटर मॉडल का उपयोग यह अनुमान लगाने के लिए किया कि TRIDENT हमारी आकाशगंगा के केंद्र में डार्क मैटर के विलोपन (annihilation) को कितनी अच्छी तरह से पहचान सकता है। उनका कार्य बताता है कि टेलीस्कोप दस लाख प्रोटॉन के द्रव्यमान तक के डार्क मैटर कणों का पता लगाने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली होगा। विशेष रूप से, दस ट्रिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट वजन वाले डार्क मैटर कण के लिए, टेलीस्कोप पचास लाख के सातवें भाग (पाँच गुना दस की घात नकारात्मक सत्ताइसवीं - 5x10^-27) के निम्नतम विलोपन दर को भी माप सकता है। संवेदनशीलता का यह स्तर महत्वपूर्ण है क्योंकि यह "थर्मल फ्रीज-आउट" (thermal freeze-out) नामक सैद्धांतिक बेंचमार्क से नीचे गिरता है, जो उस दर का प्रतिनिधित्व करता है जिस पर डार्क मैटर ने स्वाभाविक रूप से उस मात्रा का उत्पादन किया होता है जो आज हम ब्रह्मांड में देखते हैं। यदि ऐसे कण मौजूद हैं, तो TRIDENT उन्हें खोजने वाला पहला उपकरण हो सकता है।
इस अध्ययन की एक प्रमुख खोज यह है कि टेलीस्क्राफ्ट की डार्क मैटर को खोजने की क्षमता इस बात पर बहुत अधिक निर्भर करती है कि वह किस प्रकार की न्यूट्रिनो घटना को रिकॉर्ड करता है। पानी के साथ परस्पर क्रिया करने वाले न्यूट्रिनो प्रकाश के दो अलग-अलग पैटर्न बनाते हैं: लंबी, सीधी पटरियाँ (tracks) और सघन, गोलाकार विस्फोट जिन्हें 'कैस्केड्स' (casades) कहा जाता है। जबकि पिछले अध्ययन अक्सर ट्रैक्स पर ध्यान केंद्रित करते थे, जो उनके स्रोत तक वापस जाने के लिए आसान होते हैं, यह शोध दिखाता है कि कैस्केड्स वास्तव में डार्क मैटर सिग्नल के प्रति अधिक संवेदनशील हैं। ये कैस्केड्स, जो न्यूट्रिनो के विशिष्ट प्रकार के इंटरैक्शन से आते हैं, ऊर्जा के मामले में बहुत स्पष्ट तस्वीर प्रदान करते हैं। दोनों प्रकार की घटनाओं को संयोजित करके, शोधकर्ताओं ने पाया कि टेलीस्कोप की संवेदनशीलता नाटकीय रूप रूप से सुधर जाती है, जिससे यह ब्रह्मांड के उन क्षेत्रों की जांच करने में सक्षम होता है जो अब तक अनछुए रहे हैं।
हालांकि, खोज का मार्ग बाधाओं से रहित नहीं है। शोधकर्ताओं ने एक प्रमुख भ्रम के स्रोत की पहचान की है जिसे पिछले अध्ययनों में अनदेखा कर दिया गया था: हमारी अपनी आकाशगंगा के भीतर उत्पन्न होने वाले न्यूट्रिनो की एक पृष्ठभूमि। ये तब बनते हैं जब उच्च-ऊर्जा वाली कॉस्मिक किरणें अंतरतारकीय गैस से टकराती हैं, जिससे न्यूट्रिनो की एक विसरित चमक पैदा होती है जो उस सिग्नल की नकल करती है जिसे वैज्ञानिक ढूंढ रहे हैं। अध्ययन से पता चलता है कि यह पृष्ठभूमि उच्च ऊर्जाओं पर, विशेष रूप से दस ट्रिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट से ऊपर, विशेष रूप से कष्टप्रद है, जहाँ यह टेलीस्कोप की संवेदनशीलता को एक आदर्श, खाली आकाश की तुलना में लगभग आधा दिखा सकती है। हालांकि यह पृष्ठभूमि एक महत्वपूर्ण बाधा है, शोधकर्ताओं ने पाया कि आकाशगंगा के केंद्र में डार्क मैटर क्लाउड के आकार की अनिश्चितता अभी भी संदेह का एक बड़ा स्रोत बनी हुई है। इस बात पर निर्भर करते हुए कि केंद्र में डार्क मैटर कितना घना है, टेलीस्कोप की संवेदनशीलता दस गुना तक भिन्न हो सकती है।
इन निष्कर्षों के वास्तविक दुनिया के मूल्य का परीक्षण करने के लिए, टीम ने एक विशिष्ट डार्क मैटर सिद्धांत को लागू किया जिसमें एक नया बल-वाहक (force-carrying) कण शामिल है। इस परिदृश्य में, डार्क मैटर के कण आपस में परस्पर क्रिया करते हैं लेकिन सामान्य पदार्थ को लगभग स्पर्श भी नहीं करते, जिससे वे पृथ्वी पर पारंपरिक डिटेक्टरों के लिए अदृश्य हो जाते हैं। सिमुलेशन ने दिखाया कि TRIDENT इस छिपे हुए क्षेत्र की खोज करने में अद्वितीय रूप से सक्षम होगा, जो "न्यूट्रिनो फॉग" (neutrino fog) में गहराई तक जा सकता है जहाँ अन्य प्रयोग संघर्ष करते हैं। गामा-रे टेलीस्कोप के विपरीत, जो इन उच्च ऊर्जाओं पर अपनी शक्ति खो देते हैं, या प्रत्यक्ष पहचान (direct detection) प्रयोग जो इन विशिष्ट कणों को नहीं देख सकते, गहरा समुद्री टेलीस्कोप एक पूरक खिड़की प्रदान करता है। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि TRIDENT डार्क मैटर के सबसे दिलचस्प और अनछुए हिस्सों की खोज करने के लिए तैयार है, जो इन मायावी कणों के पहले प्रमाण को उजागर कर सकता है और ब्रह्मांड के छिपे हुए द्रव्यमान के बारे में हमारी समझ को बदल सकता है।
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