Fermionic Dark Matter Absorption and the High-Energy Event in LUX-ZEPLIN

दशकों से, वैज्ञानिक डार्क मैटर की तलाश कर रहे हैं, वह अदृश्य पदार्थ जो ब्रह्मांड के अधिकांश द्रव्यमान का निर्माण करता है लेकिन प्रकाश के साथ परस्पर क्रिया करने से इनकार करता है। वर्षों से सबसे लोकप्रिय सिद्धांत यह रहा है कि यह पदार्थ भारी, धीमी गति से चलने वाले कणों से बना है जो कभी-कभी सामान्य परमाणुओं से टकराते हैं, जिससे एक छोटा, पता लगाने योग्य स्पार्क (चिंगारी) उत्पन्न होता है। कॉस्मिक किरणों से सुरक्षित, गहरे भूमिगत स्थानों पर स्थित प्रयोगों ने इन मंद फुसफुसाहटों को सुनने की कोशिश की है। हालाँकि, जैसे-जैसे ये डिटेक्टर अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील होते गए हैं, उन्होंने निम्न-ऊर्जा रेंज में कुछ भी नहीं पाया जहाँ भारी कणों के टकराने की उम्मीद थी। इस सन्नाटे ने शोधकर्ताओं को अन्यत्र देखने के लिए मजबूर किया है, जिससे उनकी खोज उच्च ऊर्जाओं तक विस्तृत हुई है और वे विचित्र संभावनाओं पर विचार कर रहे हैं, जैसे कि ऐसा डार्क मैटर जो केवल परमाणुओं से टकराकर वापस नहीं आता बल्कि उनके द्वारा अवशोषित कर लिया जाता है, और अपनी पूरी द्रव्यमान को ऊर्जा के एक विस्फोट में बदलकर गायब हो जाता है।

LUX-ZEPLIN प्रयोग के डेटा का एक हालिया विश्लेषण, जो दक्षिण डकोटा की एक खदान में स्थित तरल जेनॉन (xenon) का एक विशाल टैंक है, ने एक नए और पहेलीनुमा उम्मीदवार को सामने लाया है। प्रयोग ने एक एकल घटना दर्ज की जहाँ टैंक में मौजूद एक परमाणु लगभग 248 किलोइलेक्ट्रॉनवोल्ट की ऊर्जा के साथ पीछे हटा (recoil), जो कि आमतौर पर देखे जाने वाले बैकग्राउंड शोर से काफी अधिक है। हालांकि प्रयोगकर्ताओं ने इसे कोई खोज घोषित नहीं किया, फिर भी यह घटना एक सांख्यिकीय विसंगति के रूप में उभरी जिसने स्पष्टीकरण की मांग की। चीन के नानजिंग नॉर्मल यूनिवर्सिटी के दो शोधकर्ताओं ने इस एकल चमक की व्याख्या करने के लिए एक विशिष्ट तंत्र का प्रस्ताव दिया है: एक प्रकार के डार्क मैटर कण द्वारा जेनॉन नाभिक (nucleus) का अवशोषण। उनका सुझाव है कि यदि डार्क मैटर लगभग 247 मिलियन इलेक्ट्रॉनवोल्ट द्रव्यमान वाले फर्मिऑन (fermions) से बना है, तो इसे नाभिक द्वारा अवशोषित किया जा सकता है, जिससे इसका पूरा विश्राम द्रव्यमान (rest mass) परमाणु को एक सटीक, एकल-ऊर्जा के झटके में बदल दिया जाता है। यह प्रक्रिया डेटा में एक तीक्ष्ण, विशिष्ट शिखर (peak) बनाएगी, जो देखी गई घटना की ऊर्जा से पूरी तरह मेल खाती है।

शोधकर्ताओं ने इस विचार का परीक्षण करने के लिए एक विस्तृत मॉडल बनाया, जिससे यह पता चला कि डिटेक्टर के भीतर ऐसा अवशोषण इवेंट कैसा दिखेगा। उन्होंने गणना की कि इस विशिष्ट द्रव्यमान वाले डार्क मैटर कण के लिए, जेनॉन परमाणु को स्थानांतरित की गई ऊर्जा ठीक उसी विंडो में आएगी जहाँ एकल घटना पाई गई थी। यह सुसंगत अवशोषण (coherent absorption), जहाँ डार्क मैटर एक ही बार में पूरे नाभिक से टकराता है, एक स्वच्छ, मोनोएनर्जेटिक सिग्नल उत्पन्न करेगा। हालाँकि, वही भौतिकी जो इस स्वच्छ प्रहार की अनुमति देती है, एक अस्त-व्यस्त दुष्प्रभाव की भविष्यवाणी भी करती है। क्योंकि डार्क मैटर कण इतना भारी है कि वह नाभिक के भीतर व्यक्तिगत प्रोटॉन और न्यूट्रॉन को पहचान सके, इसलिए अवशोषण को अक्सर एकल न्यूक्लियॉन को भी बाहर निकालना चाहिए। यह असंगत (incoherent) प्रक्रिया बहुत उच्च ऊर्जा वाली घटनाओं का एक विस्तृत स्पेक्ट्रम उत्पन्न करेगी, जो यदि मॉडल सही है तो डिटेक्टर में दर्जनों अतिरिक्त संकेतों के रूपए दिखाई देनी चाहिए।

टीम ने पाया कि उनका प्रस्तावित मॉडल वास्तव में देखी गई एकल घटना को पुनरुत्पादित कर सकता है और निम्न-ऊर्जा रेंज में अन्य संकेतों की अनुपस्थिति के साथ भी सुसंगत बना रह सकता है। मॉडल द्वारा अनुमानित असंगत, उच्च-ऊर्जा वाली घटनाओं को प्रयोग के मानक सुरक्षा कट्स और वीटो सिस्टम द्वारा फ़िल्टर किए जाने की उम्मीद है, जो उच्च-ऊर्जा वाले शोर को खारिज करने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। यह एक ऐसी स्थिति बनाता है जहाँ डिटेक्टर एक स्वच्छ घटना देखता है लेकिन उन दर्जनों अस्त-व्यस्त घटनाओं को मिस कर देता है जो उसके साथ होनी चाहिए थीं। शोधकर्ताओं ने गणना की कि इस एकल घटना को उत्पन्न करने के लिए आवश्यक अंतःक्रिया शक्ति (interaction strength) नई भौतिकी के एक विशिष्ट पैमाने, लगभग 11.5 टेराइलेक्ट्रॉनवोल्ट के अनुरूप है। यह मान इतना उच्च है कि यह खाली निम्न-ऊर्जा स्पेक्ट्रम के साथ विरोधाभास पैदा किए बिना इस घटना की व्याख्या कर सकता है, जिससे यह सिद्धांत पहली नज़र में व्यवहार्य प्रतीत होता है।

हालाँकि, कहानी तब एक तीव्र मोड़ लेती है जब शोधकर्ता जेनॉन टैंक से परे देखते हैं। उन्होंने अपना ध्यान जापान के कामलैंड (KamLAND) डेटा की ओर लगाया, जो एक विशाल लिक्विड स्किंटिलेटर डिटेक्टर है जो तेल से भरा हुआ है और न्यूट्रिनो को देखने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यह डिटेक्टर एक अलग प्रतिक्रिया के प्रति संवेदनशील है: यदि वे समान डार्क मैटर कण मौजूद हैं, तो उन्हें कामलैंड के कार्बन परमाणुओं द्वारा भी अवशोषित किया जाना चाहिए, जिससे एक न्यूट्रॉन बाहर निकल जाएगा। इस प्रक्रिया से न्यूट्रॉन के उत्सर्जन का एक विशिष्ट संकेत बनेगा, जिसके बाद न्यूट्रॉन के कैप्चर होने पर प्रकाश की एक विलंबित चमक आएगी। कामलैंड के मौजूदा डेटा का पुन: विश्लेषण करते हुए, शोधकर्ताओं ने पाया कि यदि LUX-ZEPLIN घटना की व्याख्या करने वाला डार्क मैटर मॉडल सत्य होता, तो इस डिटेक्टर ने न्यूट्रॉन-उत्सर्जन की घटनाओं की एक महत्वपूर्ण संख्या देखी होती।

पुन: विश्लेषण ने एक स्पष्ट विरोधाभास प्रकट किया। कामलैंड का डेटा इन न्यूट्रॉन घटनाओं के प्रमाण के रूप में कुछ भी नहीं दिखाता है, जो यह एक सख्त ऊपरी सीमा निर्धारित करता है कि इस तरह की अंतःक्रियाएं कितनी बार हो सकती हैं। यह सीमा उस अंतःक्रिया शक्ति से बहुत नीचे है जो LUX-ZEPLIN प्रयोग में देखी गई एकल घटना को उत्पन्न करने के लिए आवश्यक थी। दूसरे शब्दों में, वह मॉडल जो जेनॉन घटना की पूर्णतः व्याख्या करता है, कार्बन डेटा द्वारा स्पष्ट रूप से खारिज कर दिया गया है। शोधकर्ता निष्कर्ष निकालते हैं कि हालांकि फर्मिओनिक डार्क मैटर अवशोषण का विचार एक उच्च-ऊर्जा नाभिकीय रिकोइल को समझाने का एक सम्मोहक तरीका है, लेकिन LUX-ZEPLIN अवलोकन से मेल खाने के लिए आवश्यक विशिष्ट पैरामीटर कामलैंड के प्रतिबंधों के साथ असंगत हैं। इन दो बड़े डिटेक्टरों के बीच का तनाव यह सुझाव देता है कि जेनॉन टैंक में देखी गई एकल घटना संभवतः इस प्रकार के डार्क मैटर अवशोषण के कारण नहीं है, जिससे यह विसंगति अनसुलझी रह जाती है और इस रहस्य को सुलझाने के लिए भविष्य के समर्पित उच्च-ऊर्जा विश्लेषणों की आवश्यकता की ओर संकेत करती है।