Quantum-statistical effects of bosonic warm dark matter in microscopic interacting dark sectors

ब्रह्मांड अदृश्य चीजों से भरा हुआ है। खगोलविदों को लंबे समय से पता है कि साधारण पदार्थ—तारे, ग्रह और हम जैसे लोग जिन्हें हम देख सकते हैं—ब्रह्मांड का केवल एक छोटा सा हिस्सा बनाते हैं। बाकी हिस्सा दो रहस्यमय रूपों में छिपा है: डार्क मैटर (dark matter), जो आकाशगंगाओं को एक साथ थामे रखने वाले गुरुत्वाकर्षण गोंद की तरह कार्य करता है, और डार्क एनर्जी (dark energy), एक बल जो ब्रह्मांड को दूर धकेलता है। दशकों से, वैज्ञानिकों ने इन दोनों अदृश्य घटकों को अजनबियों के रूप में माना है, जो केवल गुरुत्वाकर्षण के हल्के खिंचाव के माध्यम से परस्पर क्रिया करते हैं। लेकिन शोधकर्ताओं की एक बढ़ती संख्या को संदेह है कि वे शायद अधिक सक्रिय बातचीत कर रहे हैं, ऊर्जा का आदान-प्रदान इस तरह से कर रहे हैं जो ब्रह्वंड विज्ञान की कुछ सबसे बड़ी पहेलियों को हल कर सकता है। प्रश्न केवल यह नहीं है कि क्या वे बात करते हैं, बल्कि यह है कि वे कैसे करते हैं। यदि वे वास्तव में परस्पर क्रिया करते हैं, तो यह उनके मूल कणों के माध्यम से होना चाहिए, जो क्वांटम मैकेनिक्स के विचित्र नियमों द्वारा संचालित होते हैं।

बीजिंग नॉर्मल यूनिवर्सिटी के एक भौतिक विज्ञानी ने एक नए अध्ययन में इस बात की खोज की है कि यह बातचीत ठीक कैसे हो सकती है यदि डार्क मैटर एक विशिष्ट प्रकार के कण से बना हो: एक बोसॉन (boson) जो इतना 'वार्म' (warm) है कि वह गति कर सके, लेकिन इतना 'कोल्ड' (cold) है कि वह समूह बना सके। शोधकर्ता, झीजियान झांग (Zhijian Zhang), एक ऐसी स्थिति की जांच करते हैं जहाँ ये कण 'बोस-आइंस्टीन कंडेनसेट' (Bose-Einstein condensate) बना सकते हैं, जो पदार्थ की एक अनूठी अवस्था है जहाँ कणों का एक बड़ा समूह अपनी व्यक्तिगत पहचान खो देता है और एक एकल, विशाल क्वांटम तरंग के रूप में कार्य करता है। यह मॉडल बनाने के बाद कि ये कण आपस में कैसे विलीन (annihilate) होकर डार्क एनर्जी में बदल सकते हैं, झांग ने पाया कि इस कंडेनसेट की उपस्थिति खेल के नियमों को नाटकीय रूप से बदल देती है। अध्ययन बताता है कि डार्क सेक्टर को ऊर्जा स्थानांतरित करने की दर इस बात पर बहुत अधिक निर्भर करती है कि इनमें से कितने कण इस संघनित (condensed) अवस्था में स्थिर हुए हैं, जो ब्रह्मांड के इन छिपे हुए घटकों के बारे में सिद्धांतों का परीक्षण करने का एक नया तरीका बनाता है।

इस कार्य के महत्व को समझने के लिए, व्यक्ति को पहले इसमें शामिल कणों की प्रकृति को समझना होगा। डार्क मैटर की कल्पना अक्सर अंतरिक्ष में उड़ने वाली छोटी, अदृश्य गोलियों के झुंड के रूप में की जाती है। कई मॉडलों में, ये मानक कण होते हैं जो एक गर्म गैस की तरह व्यवहार करते हैं, जो गति की एक विस्तृत श्रृंखला के साथ इधर-उधर टकराते हैं। हालाँकि, यदि ये कण 'बोसॉन्स' (bosons) हैं—एक प्रकार के कण जो एक ही अवस्था में भीड़ लगाना पसंद करते हैं—तो वे एक चरण संक्रमण (phase transition) से गुजर सकते हैं। जब तापमान पर्याप्त कम हो जाता है, तो उनमें से एक महत्वपूर्ण हिस्सा सबसे निचली ऊर्जा अवस्था में जा सकता है, जो लगभग शून्य गति से चलता है। यह बोस-आइंस्टीन कंडेनसेट है। इस अवस्था में, कण अब एक अराजक गैस नहीं हैं; वे एक समकालिक (synchronized), सुसंगत तरंग हैं। झांग का कार्य यह पूछता है कि क्या होता है जब यह समकालिक तरंग शेष ब्रह्मांड के साथ परस्पर क्रिया करती है, विशेष रूप से उस प्रक्रिया के माध्यम से जहाँ दो डार्क मैटर कण आपस में टकराकर लुप्त हो जाते हैं, और नए कणों में बदल जाते हैं जो डार्क एनर्जी में योगदान देते हैं।

शोधकर्ता ने एक मॉडल बनाया जहाँ डार्क मैटर कण, जिन्हें वे $\chi$ कहते हैं, एक हल्के स्केलर फील्ड (light scalar field) के साथ परस्पर क्रिया करते हैं, जो डार्क एनर्जी घटक के रूप में कार्य करता है। यह परस्पर क्रिया एक ऐसे बल द्वारा संचालित होती है जो परमाणुओं को एक साथ थामे रखता है, लेकिन लंबी दूरी पर कार्य करती है। जब दो डार्क मैटर कण मिलते हैं, तो वे विलीन हो सकते हैं, जिससे वे गायब होकर दो नए, तेज़ गति वाले कणों का निर्माण करते हैं जो डार्क एनर्जी सेक्टर का हिस्सा बन जाते हैं। यह प्रक्रिया उन सूक्ष्म इंजनों में से एक है जो दोनों डार्क सेक्टर्स के बीच ऊर्जा हस्तांतरण को चलाती है। अध्ययन इस टकराव के तीन अलग-अलग तरीकों पर ध्यान केंद्रित करता है: दो तेज़ गति वाले थर्मल कणों का आपस में टकराना, एक तेज़ कण का एक धीमे कंडेनसेट कण से टकराना, या दो धीमे कंडेनसेट कणों का आपस में टकराना।

सबसे आश्चर्यजनक खोज कंडेनसेट कणों के व्यवहार में निहित है। क्योंकि वे सभी लगभग शून्य गति से चल रहे हैं, वे एक विशेष क्षेत्र में स्थित हैं जहाँ 'सोमरफेल्ड एन्हांसमेंट' (Sommerfeld enhancement) नामक एक क्वांटम प्रभाव अत्यंत शक्तिशाली हो जाता है। यह प्रभाव एक लेंस की तरह कार्य करता है, जो कणों को एक साथ केंद्रित करता है और उन्हें यादृच्छिक रूप से पास से गुजरने के बजाय टकराने और विलीन होने के लिए बहुत अधिक संभावित बनाता है। थर्मल गैस में, केवल एक बहुत छोटा हिस्सा ही इतना धीमा चलता है कि इस बढ़त को महसूस कर सके। लेकिन कंडेनसेट में, प्रत्येक कण धीमा चल रहा है, जिसका अर्थ है कि पूरा कंडेनसेट इस बढ़ी हुई परस्पर क्रिया दर से सराबोर है। झांग ने पाया कि यह एक निर्णायक मोड़ (tipping point) पैदा करता है। यदि संघनित भाग (condensed fraction) छोटा है, तो टकराव अराजक थर्मल गैस द्वारा नियंत्रित होते हैं। लेकिन एक बार जब कंडेनसेट अंश एक विशिष्ट महत्वपूर्ण सीमा (critical threshold) को पार कर जाता है, तो धीमे, समकालिक कणों के बीच होने वाले टकराव पूरी तरह से हावी हो जाते हैं, जिससे ऊर्जा हस्तांतरण की दर बहुत अधिक बढ़ जाती है।

यह महत्वपूर्ण सीमा कोई निश्चित संख्या नहीं है; यह डार्क मैटर कणों के द्रव्यमान और डार्क एनर्जी फील्ड के द्रव्यमान पर निर्भर करती है। अध्ययन गणना करता है कि आज ब्रह्मांड को स्थिर रखने के लिए, इस ऊर्जा हस्तांतरण की दर ब्रह्मांड के विस्तार की दर से अधिक नहीं होनी चाहिए। यदि हस्तांतरण बहुत तेज़ है, तो यह आकाशगंगाओं के निर्माण और बड़े पैमाने की संरचना को बाधित कर देगा। इस बाधा को लागू करके, झांग डार्क सेक्टर के गुणों के लिए अनुमत क्षेत्रों को मैप करते हैं। परिणाम दिखाते हैं कि कंडेनसेट की उपस्थिति डार्क मैटर कणों के भारी होने की सीमाओं को महत्वपूर्ण रूप से बदल देती है। यदि डार्क मैटर का एक बड़ा हिस्सा संघनित है, तो अवलोकन के अनुरूप निम्न स्तर की परस्पर क्रिया दर बनाए रखने के लिए कणों को बहुत भारी होना चाहिए। इसके विपरीत, यदि डार्क मैटर मुख्य रूप से थर्मल है, तो हल्के कणों की अनुमति है।

यह कार्य कणों की सूक्ष्म दुनिया और ब्रह्मांड के स्थूल (macroscopic) व्यवहार के बीच के संबंध को भी स्पष्ट करता है। पिछले मॉडलों में अक्सर डार्क मैटर और डार्क एनर्जी के बीच ऊर्जा हस्तांतरण को एक सरल, मनमाने नियम के रूप में पेश किया गया था, जैसे कि किसी विशिष्ट सेटिंग पर घुमाया गया एक डायल। यह अध्ययन उस डायल को भौतिक विज्ञान से प्राप्त एक भौतिक तंत्र से बदल देता है। यह दिखाता है कि ऊर्जा हस्तांतरण एक निरंतर पृष्ठभूमि शोर नहीं है, बल्कि एक गतिशील प्रक्रिया है जो ब्रह्मांड के ठंडा होने और कंडेनसेट अंश के विकसित होने के साथ बदलती रहती है। अनुसंधान प्रदर्शित करता है कि डार्क मैटर के क्वांटम सांख्यिकीय गुण—विशेष रूप से कि वह एक गैस है या एक कंडेनसेट—पार्टिकल्स के बीच बल की शक्ति जितने ही महत्वपूर्ण हैं।

अंततः, यह शोधपत्र इन विचारों के परीक्षण के लिए एक ठोस ढांचा प्रदान करता है। यह सुझाव देता है कि यदि हम डार्क मैटर कणों के द्रव्यमान या उनकी परस्पर क्रिया की शक्ति को निर्धारित कर सकें, तो हम भविष्यवाणी कर सकते हैं कि क्या एक कंडेनसेट मौजूद है और डार्क मैटर का कितना हिस्सा इस अवस्था में है। अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि उसने डार्क मैटर क्या है, इसका उत्तर खोज लिया है, बल्कि यह इसे खोजने का एक नया तरीका प्रदान करता है। यह दिखाकर कि कंडेनसेट अंश ऊर्जा हस्तांतरण के लिए एक नियंत्रण नॉब (control knob) के रूप में कार्य करता है, यह ब्रह्मांड विज्ञानियों के लिए संभावित सिद्धांतों के विशाल परिदृश्य को सीमित करने का एक नया मार्ग खोलता है। निष्कर्ष संकेत देते हैं कि अदृश्य ब्रह्मांड कणों की एक साधारण गैस से कहीं अधिक जटिल है; इसमें एक छिपा हुआ, समकालिक घटक हो सकता है जो मौलिक रूप से ब्रह्मांड के विकास को आकार देता है।