Endothermic dark matter with a light dark photon and the LUX--ZEPLIN high-energy nuclear-recoil candidate

पृथ्वी की सतह से बहुत नीचे, गहरे अंतरिक्ष के तापमान पर ठंडे किए गए तरल ज़ेनॉन (xenon) के एक टैंक में, वैज्ञानिक एक फुसफुसाहट सुनने की कोशिश कर रहे हैं। यह LUX-ZEPLIN प्रयोग है, एक विशाल डिटेक्टर जिसे सबसे दुर्लभ अंतःक्रियाओं को पकड़ने के लिए डिज़ाइन किया गया है: डार्क मैटर के एक कण और साधारण पदार्थ के एक परमाणु के बीच की टक्कर। डार्क मैटर ब्रह्मांड का अदृश्य ढांचा है, जो आकाशगंगाओं को एक साथ थामे रखता है, फिर भी यह प्रकाश को चमकने, परावर्तित करने या अवशोषित करने से इनकार करता है। दशकों से, भौतिकविदों ने अपने डिटेक्टरों में एक सूक्ष्म, अचानक होने वाले झटके का इंतज़ार करके इसकी खोज की है, एक ऐसा संकेत कि एक भूतिया कण ने एक भारी नाभिक (nucleus) से टक्कर मारी है। हाल ही में, LZ टीम ने एक एकल, दिलचस्प घटना दर्ज की। यह एक परमाणु पुनर्गति (nuclear recoil) थी, एक परमाणु को लगा एक झटका, जिसकी ऊर्जा 248 किलोइलेक्ट्रॉनवोल्ट थी। हालांकि यह एकल चमक एक इत्तेफाक या बैकग्राउंड शोर हो सकती है, लेकिन यह एक उच्च ऊर्जा स्तर पर स्थित है जिसे मानक सिद्धांत डार्क मैटर के माध्यम से समझाने में संघर्ष करते हैं। यह एक पहेली का वह टुकड़ा है जो उस चित्र में पूरी तरह फिट नहीं बैठता जिसे अधिकांश वैज्ञानिक बना रहे हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब उस टुकड़े को फिट करने का एक नया तरीका प्रस्तावित किया है। वे सुझाव देते हैं कि वह डार्क मैटर कण जो इस झटके के लिए जिम्मेदार है, वह एक सरल, स्थिर वस्तु नहीं है, बल्कि एक छिपी हुई आंतरिक संरचना वाला दो-मुंही अस्तित्व है। कल्पना कीजिए कि एक कण दो अवस्थाओं में मौजूद है: एक शांत, कम ऊर्जा वाली ग्राउंड स्टेट और एक थोड़ी भारी, उत्तेजित (excited) अवस्था, जो ऊर्जा के एक छोटे लेकिन महत्वपूर्ण अंतर से अलग है। इस परिदृश्य में, डिटेक्टर में परमाणु से टकराने के लिए, डार्क मैटर को पहले उस भारी अवस्था में कूदने के लिए ऊर्जा अवशोषित करनी होगी। यह प्रक्रिया, जिसे एंडोथर्मिक स्कैटरिंग (endothermic scattering) कहा जाता है, एक हाई-स्पीड फिल्टर की तरह काम करती है। इसका अर्थ है कि केवल हमारी आकाशगंगा के सबसे तेज़, सबसे ऊर्जावान डार्क मैटर कणों के पास ही उस ऊर्जा लागत को चुकाने के लिए पर्याप्त गति होगी। धीमी गति वाले कण बिना किसी अंतःक्रिया के बस गुजर जाते हैं। यह तंत्र स्वाभाविक रूप से समझाता है कि डिटेक्टर ने एक उच्च-ऊर्जा घटना क्यों देखी जबकि उन हजारों धीमे, अधिक सामान्य कणों को अनदेखा कर दिया जो हर सेकंड इसके माध्यम से गुजरने चाहिए थे।

शोधकर्ताओं ने इस विचार के इर्द-गिर्द एक विस्तृत मॉडल बनाया है, जो डार्क मैटर को एक नए, अदृश्य बल वाहक जिसे 'डार्क फोटॉन' कहा जाता है, से जोड़ता है। यह कण डार्क दुनिया और हमारी अपनी दुनिया के बीच एक संदेशवाहक के रूप में कार्य करता है, जिससे डार्क मैटर को ज़ेनॉन परमाणुओं के साथ अंतःक्रिया करने की अनुमति मिलती है। कण भौतिकी के नियमों और ब्रह्मांड के देखे गए इतिहास को मिलाने वाले व्यापक कंप्यूटर सिमुलेशन चलाकर, टीम ने यह परीक्षण किया कि क्या यह विशिष्ट सेटअप उस एकल LZ घटना की व्याख्या कर सकता है और साथ ही डार्क मैटर की कुल मात्रा के साथ मेल खा सकता है जो हम ब्रह्मांड में जानते हैं। उन्होंने एक संकीर्ण, सटीक क्षेत्र पाया जहाँ सब कुछ संरेखित होता है। इस परिदृश्य में, डार्क मैटर के कण भारी हैं, जिनका वजन कुछ हजार प्रोटॉन के पैमाने पर है, और उनके दो राज्यों के बीच का ऊर्जा अंतराल कुछ सौ किलोइलेक्ट्रॉनवोल्ट है। संदेशवाहक कण, डार्क फोटॉन, अपेक्षाकृत हल्का है, जो कुछ बिलियन इलेक्ट्रॉनवोल्ट के पैमाने पर मौजूद है।

यह फिट काफी सटीक है। मॉडल भविष्यवाणी करता है कि इस घटना के लिए जिम्मेदार डार्क मैटर कणों को हमारी आकाशगंगा के हेलो (halo) में कणों के लिए संभव अधिकतम सीमा के करीब गति से चलना चाहिए। क्योंकि ऊर्जा अंतराल बहुत बड़ा है, इसलिए केवल सबसे तेज़ कुछ प्रतिशत डार्क मैटर आबादी ही डिटेक्टर को सक्रिय कर सकती है। यह आवश्यकता मॉडल को संभावनाओं के एक विशिष्ट कोने में धकेल देती है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि यदि यह मॉडल सही है, तो LZ द्वारा देखी गई एकल घटना बिल्कुल वही है जिसकी हमें उम्मीद करनी चाहिए, सही ऊर्जा और सही आवृत्ति के साथ। इसके अलावा, वही भौतिकी जो इस उच्च-गति वाली टक्कर की अनुमति देती है, यह भी निर्धारित करती है कि प्रारंभिक ब्रह्मांड में कितना डार्क मैटर बना था, और मॉडल स्वाभाविक रूप से ब्रह्मांडीय सूची से मेल खाने के लिए सही मात्रा उत्पन्न करता है।

हालाँकि, यह सुंदर समाधान एक महत्वपूर्ण चेतावनी के साथ आता जिसे शोधकर्ताओं ने सावधानीपूर्वक रेखांकित किया है। चूंकि दोनों अवस्थाओं के बीच ऊर्जा अंतराल बहुत छोटा है, इसलिए यह एक इलेक्ट्रॉन और एक पॉज़िट्रॉन (positron) में बदलने के लिए बहुत छोटा है, जो सामान्य कण हैं। यह उत्तेजित डार्क मैटर कण के गायब होने के सबसे तेज़ तरीके को रोकता है। इसके बजाय, उत्तेजित कण बहुत धीरे-धीरे क्षय (decay) होने के लिए मजबूर होता है, जो संभावित रूप से अरबों वर्षों तक बना रह सकता है। यदि इन उत्तेजित कणों की एक बड़ी संख्या ब्रह्मांड के जन्म से आज तक जीवित रही है, तो उनका अंततः क्षय कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड में जो हम देखते हैं, उसके विपरीत ब्रह्मांड में ऊर्जा इंजेक्ट करेगा। शोधकर्ता नोट करते हैं कि यह उनके मॉडल के सबसे सरल संस्करण के लिए एक संभावित समस्या है। वे सुझाव देते हैं कि सिद्धांत में एक छोटा सा जोड़, एक विशिष्ट प्रकार की अंतःक्रिया जो उत्तेजित अवस्था को तीन फोटॉन में तेजी से क्षय होने की अनुमति देती है, इस मुद्दे को सुलझा सकती है बिना LZ घटना की व्याख्या को बिगाड़े।

इस प्रस्ताव की सुंदरता यह है कि यह एक रहस्य को एक परीक्षण योग्य परिकल्पना में बदल देता है। कई डार्क मैटर सिद्धांतों के विपरीत जो अदृश्य बलों पर निर्भर करते हैं जिन्हें हम आसानी से जांच नहीं सकते, इस मॉडल में एक हल्का डार्क फोटॉन शामिल है जो हमारी दुनिया के साथ इस तरह से अंतःक्रिया करता है जिसे भविष्य के प्रयोग देख सकते हैं। LZ घटना की व्याख्या करने के लिए आवश्यक विशिष्ट द्रव्यमान और अंतःक्रिया की शक्ति उस सीमा के भीतर है जिसे Belle II और LHCb जैसे कण त्वरकों (particle accelerators) में आगामी प्रयोगों द्वारा जांचने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यदि डार्क फोटॉन इस मॉडल द्वारा अनुमानित गुणों के साथ मौजूद है, तो ये मशीनें इसे बना सकेंगी और इसके क्षय को देख सकेंगी। गहरे भूमिगत टैंक में देखी गई प्रकाश की वह एकल चमक केवल एक सांख्यिकीय विसंगति नहीं है; यह एक विशिष्ट, परीक्षण योग्य संरचना की ओर इशारा करने वाला एक संभावित संकेत (beacon) है। शोधकर्ताओं ने यह सिद्ध नहीं किया है कि यही उत्तर है, लेकिन उन्होंने दिखाया है कि यह एक व्यवहार्य मार्ग है, जो एक एकल, अजीब घटना को ब्रह्मांड के महान इतिहास से जोड़ता है और सत्य खोजने के लिए एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करता है।