Solar Neutrino Constraints on Inelastic Dark Matter Scattering in Light of Recent LUX-ZEPLIN Observations
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि आइसक्यूब (IceCube) अवलोकनों में उच्च-ऊर्जा सौर न्यूट्रिनो की अधिकता का अभाव, इनइलास्टिक डार्क मैटर मॉडलों को दृढ़ता से प्रतिबंधित करता है, जिनमें वे मॉडल भी शामिल हैं जो लक्स-ज़ेप्लिन (LUX-ZEPLIN) सहयोग द्वारा रिपोर्ट की गई हालिया उच्च-ऊर्जा परमाणु रिकोइल कैंडिडेट घटना की व्याख्या करने के लिए प्रस्तावित किए गए थे।
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ब्रह्मांड के शांत अंधेरे में गहराई में, डार्क मैटर (dark matter) नामक एक रहस्यमय पदार्थ के बारे में माना जाता है कि यह आकाशगंगाओं को एक साथ थामे रखता है, फिर भी यह हमारी आँखों और हमारे अधिकांश उपकरणों के लिए अदृश्य बना हुआ है। दशकों से, वैज्ञानिकों ने जमीन के नीचे गहरे स्तर पर विशाल डिटेक्टर बनाए हैं, जिन्हें अल्ट्रा-प्योर लिक्विड जेनन (liquid xenon) से भरा गया है, इस उम्मीद में कि वे डार्क मैटर के किसी कण द्वारा परमाणु से टकराने की एक दुर्लभ झलक देख सकें। ये प्रयोग उस सूक्ष्म प्रकाश की चमक को देखने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं जो ऐसी टक्कर से उत्पन्न होती है। हाल ही में, साउथ डकोटा में स्थित एक अत्याधुनिक डिटेक्टर, LUX-ZEPLIN प्रयोग ने एक एकल, अत्यंत ऊर्जावान घटना दर्ज की, जो एक डार्क मैटर कण के नाभिक (nucleus) से आश्चर्यजनक बल के साथ टकराने जैसी लग रही थी। यह एकल चमक, जो अधिकांश सिद्धांतों द्वारा अनुमानित ऊर्जा स्तर से कहीं अधिक थी, उत्साह तो लेकर आई लेकिन भ्रम भी पैदा किया, क्योंकि डार्क मैटर के मानक मॉडल आमतौर पर कई छोटे, कम ऊर्जा वाले झटकों के बजाय एक बड़े, उच्च-ऊर्जा वाले प्रहार का उत्पादन करते हैं। इस विसंगति को समझाने के लिए, कुछ शोधकर्ताओं ने एक नया विचार प्रस्तावित किया: शायद डार्क मैटर के कण सरल, ठोस गोलों की तरह नहीं हैं, बल्कि उनमें एक छिपी हुई आंतरिक संरचना है जो उन्हें टकराने पर अपनी अवस्था बदलने की अनुमति देती है, एक ऐसी प्रक्रिया जो स्वाभाविक रूप से छोटे प्रहारों को दबा देती है और दुर्लभ, शक्तिशाली प्रहारों को प्राथमिकता देती है।
फिजिक्सियों की एक टीम ने, जिसका नेतृत्व थोंग टी.क्यू. नगुयेन, टिम लिंडेन और डैन हूपर कर रहे थे, इस नए विचार का परीक्षण करने का निर्णय लिया: एक अलग प्रकार की ब्रह्मांडीय प्रयोगशाला का उपयोग करके: सूर्य। उन्होंने तर्क दिया कि यदि ये विशेष डार्क मैटर कण वास्तविक हैं और पृथ्वी पर देखी गई उच्च-ऊर्जा वाली चमक का कारण बनने में सक्षम हैं, तो उन्हें सूर्य के साथ भी परस्पर क्रिया करनी चाहिए। जैसे-जैसे डार्क मैटर के कण हमारे तारे की ओर बढ़ते हैं, सूर्य का विशाल गुरुत्वाकर्षण उन्हें अंदर खींचता है, जिससे वे अविश्वसनीय गति से त्वरित होते हैं। जब ये तेजी से चलते कण सूर्य के भीतर के भारी परमाणुओं से टकराते हैं, तो वे इतनी ऊर्जा खो सकते हैं कि फंस जाएं, और सौर कोर (solar core) में बस जाएं। यदि डार्क मैटर के कण वास्तव में उसी प्रकार के हैं जो प्रभाव पड़ने पर अपनी अवस्था बदलते हैं, तो वे सूर्य के भारी तत्वों, जैसे कि लोहा या सीसा, के साथ टकराने में सक्षम होंगे, भले ही उस तरह की टक्कर के लिए आवश्यक ऊर्जा आमतौर पर इतनी अधिक हो जो वे पृथ्वी पर प्राप्त नहीं कर पाते। एक बार फंस जाने के बाद, ये कण अंततः एक-दूसरे को खोज लेंगे और नष्ट (annihilate) हो जाएंगे, एक ऐसी प्रक्रिया जो उच्च-ऊकी न्यूट्रिनो (neutrinos) की एक बाढ़ छोड़ेगी, जो भूतिया कण हैं जो सूर्य से बाहर निकल सकते हैं और अंतरिक्ष में पृथ्वी तक यात्रा कर सकते हैं।
शोधकर्ताओं ने यह देखने के लिए कि क्या यह अनुमानित न्यूट्रिनो की बाढ़ वास्तव में वहां है या नहीं, IceCube के डेटा का उपयोग किया, जो दक्षिण ध्रुव में बर्फ के नीचे स्थित एक विशाल न्यूट्रिनो डिटेक्टर है। उन्होंने विशेष रूप से सूर्य की दिशा से आने वाले उच्च-ऊर्जा न्यूट्रिनो की अधिकता की तलाश की, जो डार्क मैटर के विनाश (annihilations) का एक निर्णायक प्रमाण (smoking gun) होगा। उनके विश्लेषण ने दिखाया कि LUX-ZEPLIN घटना की व्याख्या करने के लिए प्रस्तावित अधिकांश मॉडलों के लिए, सूर्य न्यूट्रिनो से चमकना चाहिए। हालांकि, IceCube ऐसी कोई चमक नहीं देखता है। न्यूट्रिनो की अनुपस्थिति एक शक्तिशाली प्रतिबंध है। यह सुझाव देता है कि डार्क मैटर का वह विशिष्ट प्रकार, जो पृथ्वी पर देखी गई एकल उच्च-ऊर्जा चमक की व्याख्या करने के लिए आवश्यक है, संभवतः उस मात्रा में मौजूद नहीं है जिसकी आवश्यकता है, या कम से कम उस तरह से नहीं है जैसा कि मॉडल भविष्यवाणी करते हैं। अध्ययन ने 'हिग्गसिनो' (higgsino) नामक डार्क मैटर के एक विशिष्ट प्रकार के संबंध में पिछले निष्कर्षों की पुष्टि की है, यह दिखाते हुए कि इस कण का मानक थर्मल संस्करण न्यूट्रिनो की कमी के कारण लगभग निश्चित रूप से खारिज कर दिया गया है।
टीम ने इनइलास्टिक डार्क मैटर (inelastic dark matter) सिद्धांत के कई रूपांतरों की खोज की, जिसमें कणों के विभिन्न द्रव्यमान और सामान्य पदार्थ के साथ उनके परस्पर क्रिया करने के विभिन्न तरीकों का परीक्षण किया गया। उन्होंने पाया कि सूर्य से प्राप्त प्रतिबंध अविश्वसनीय रूप से सुदृढ़ हैं, जो तब भी सत्य रहते हैं जब मॉडलों को पृथ्वी-आधारित डेटा के अनुरूप ढालने के लिए बदला जाता है। इस सिद्धांत को बचाने का एकमात्र तरीका बहुत विशिष्ट, कुछ हद तक अस्वाभाविक स्थितियां पेश करना है, जैसे कि डार्क मैटर कणों के पास न्यूट्रिनो में परिवर्तित होने से बचने का कोई तरीका हो, या कणों को सूर्य द्वारा पकड़ा तो जाता है लेकिन वे कोर में बसने के लिए पर्याप्त रूप से ठंडा होने में विफल रहते हैं जहाँ वे एक-दूसरे से मिलते हैं और नष्ट हो जाते हैं। हालांकि यह अध्ययन LUX-ZEPLIN घटना के लिए सभी संभावित स्पष्टीकरणों के द्वार को पूरी तरह से बंद नहीं करता है, लेकिन यह क्षेत्र को नाटकीय रूप से संकुचित कर देता है। यह प्रदर्शित करता है कि सूर्य एक शक्तिशाली फिल्टर के रूप में कार्य करता है, जो स्थलीय विसंगति की व्याख्या करने के लिए प्रस्तावित नए भौतिकी के सबसे सरल और स्वाभाविक संस्करणों को खारिज करता है।
अंततः, यह कार्य अदृश्य को देखने के दो बहुत अलग तरीकों के बीच एक शक्तिशाली तालमेल को उजागर करता है। पृथ्वी पर किया गया प्रयोग एक संभावित संकेत प्रदान करता है, एक एकल डेटा बिंदु जो नई भौतिकी का संकेत देता है, जबकि सूर्य के अवलोकन एक कठोर परीक्षण प्रदान करते हैं जो शेष ब्रह्मांड के विरुद्ध उस संकेत की निरंतरता की जांच करते हैं। पृथ्वी के गहरे भूमिगत डिटेक्टर से प्राप्त डेटा को बर्फ में न्यूट्रिनो की गणना के साथ जोड़कर, शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि ब्रह्मांड अक्सर हमारी प्रारंभिक परिकल्पनाओं की तुलना में अधिक प्रतिबंधात्मक होता है। जेनन टैंक में देखी गई एकल चमक एक दिलचस्प रहस्य बनी हुई है, लेकिन सूर्य से मिली चुप्पी यह बताती है कि उत्तर केवल एक प्रकार के बदलते हुए डार्क मैटर कण के रूप में इतना सरल नहीं है। खोज जारी है, लेकिन रास्ता अब अधिक स्पष्ट है, जो सितारों के बीच के शांत, खाली स्थान द्वारा निर्देशित है जहाँ अपेक्षित न्यूट्रिनो बस दिखाई नहीं देते।
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