Did LZ see modified gravity?

पृथ्वी की गहराइयों में, सतह के ब्रह्मांडीय शोर से सुरक्षित, तरल ज़ेनॉन (xenon) का एक विशाल टैंक स्थित है। यह लक्स-ज़ेप्लिन (LUX-ZEPLIN) प्रयोग है, जो डार्क मैटर की सबसे हल्की फुसफुसाहट को पकड़ने के लिए डिज़ाइन किया गया एक उपकरण है—वह अदृश्य पदार्थ जो ब्रह्मांड के अधिकांश द्रव्यमान का निर्माण करता है। वर्षों से, वैज्ञानिक डार्क मैटर के एक कण के ज़ेनॉन के एक परमाणु से टकराने, जिससे प्रकाश की एक छोटी सी चमक और ऊर्जा की एक लहर पैदा होती है, का इंतज़ार कर रहे हैं। हाल ही में, प्रयोग ने एक एकल, असामान्य घटना की सूचना दी: टैंक में एक भारी नाभिक (nucleus) 248 keV की ऊर्जा के साथ पीछे हटा। यह ऊर्जा उस स्तर से कहीं अधिक है जो अधिकांश मानक सिद्धांत एकल टकराव के लिए भविष्यवाणी करते हैं, जो एक पहेली खड़ी करती है। यदि यह घटना वास्तविक है और कोई गलती या बैकग्राउंड ग्लिच नहीं है, तो यह संकेत देती है कि हमारे चारों ओर का अदृश्य पदार्थ उन तरीकों से व्यवहार करता है जिनकी हमने अभी तक कल्पना भी नहीं की है, शायद सामान्य पदार्थ के साथ उम्मीद से अधिक मजबूती से या अलग तरह से अंतःक्रिया करता है।

बसाबेंदु बर्मन नामक एक शोधकर्ता ने इस पहेली को सुलझाने का एक नया तरीका प्रस्तावित किया है, जो इन अदृश्य कणों के व्यवहार को ब्रह्मांड के विस्तार के इतिहास के तरीके से जोड़ता है। ब्रह्मांड की मानक कहानी बताती है कि बिग बैंग के बाद, यह एक अनुमानित लय में ठंडा हुआ, जिससे डार्क मैटर को बनने और आज दिखने वाली मात्रा में स्थिर होने का अवसर मिला। हालांकि, बर्मन का सुझाव है कि ब्रह्मांड के बहुत शुरुआती क्षणों में, पहले परमाणु नाभिकों के बनने से पहले, अंतरिक्ष का विस्तार इस मानक कहानी की अनुमति से कहीं अधिक तेज़ रहा होगा। संशोधित गुरुत्वाकर्षण सिद्धांतों में निहित यह विचार, खेल के नियम बदल देता है। यदि ब्रह्मांड अधिक तेज़ी से फैला होता, तो डार्क मैटर कणों के लिए अन्य कणों के गर्म सूप के साथ अंतःक्रिया करना कठिन होता, जिसका अर्थ है कि उन्हें मूल रूप से बनने के लिए एक मजबूत संबंध की आवश्यकता होती।

यह शोध पत्र डार्क मैटर के एक विशिष्ट प्रकार की जांच करता है जिसे "फीबल इंटरैक्टिंग मैसिव पार्टिकल" (FIMP) या मंद अंतःक्रिया करने वाला विशाल कण कहा जाता है। सामान्य दृष्टिकोण में, ये कण इतने शर्मीले होते हैं कि वे शायद ही किसी चीज़ को छूते हैं, जिससे उन्हें पकड़ना लगभग असंभव हो जाता है। यह शर्मीलापन इस घटना की व्याख्या करने में एक समस्या है, क्योंकि यदि कण बहुत अधिक शर्मीले हैं, तो वे ज़ेनॉन को इतनी ज़ोर से नहीं टकरा पाएंगे कि 248 keV का संकेत उत्पन्न कर सकें। बर्मन का कार्य दिखाता है कि यदि प्रारंभिक ब्रह्मांड का विस्तार हमारी सोच से अधिक तेज़ी से हुआ होता, तो यह इन कणों को सामान्य पदार्थ के साथ एक मजबूत संबंध रखने की अनुमति देता, जबकि वे आज देखे जाने वाले डार्क मैटर की कुल मात्रा के अनुरूप पर्याप्त दुर्लभ बने रहते। यह मजबूत संबंध ठीक वही है जो ज़ेनॉन टैंक में टकराव को संभव बनाने के लिए आवश्यक है।

इस विचार का परीक्षण करने के लिए, अध्ययन एक ऐसा मॉडल बनाता है जहाँ डार्क मैटर दो प्रकार के कणों से बना है जो वजन में लगभग समान हैं लेकिन थोड़े भिन्न हैं, जिनके बीच लगभग 280 keV का सूक्ष्म अंतर है। ये कण एक नए, अदृश्य बल वाहक जिसे 'डार्क फोटॉन' कहा जाता है, के माध्यम से अंतःक्रिया करते हैं। शोधकर्ता ने गणना की कि विभिन्न स्थितियों के तहत ये कण ज़ेनॉन नाभिकों से कितनी बार टकराएंगे। परिणाम दर्शाते हैं कि यदि ब्रह्मांड के विस्तार की दर को संशोधित गुरुत्वाकर्षण से संबंधित कारक द्वारा बढ़ाया गया होता, तो आवश्यक पैरामीटर जो लक्स-ज़ेप्लिन डेटा में एकल घटना की व्याख्या करते हैं, आकाश में दिखने वाले डार्क मैटर की मात्रा के साथ पूरी तरह फिट बैठते हैं। अध्ययन डार्क मैटर के द्रव्यमान और इसकी अंतःक्रिया की शक्ति के विशिष्ट रेंज की पहचान करता है जो एकल टकराव की घटना और डार्क मैटर की ब्रह्मांडीय प्रचुरता दोनों को संतुष्ट करती है।

विश्लेषण अन्य ज्ञात तथ्यों के विरुद्ध भी इन विचारों की जाँच करता है। प्रस्तावित कणों को अन्य प्रयोगों द्वारा नहीं देखा जाना चाहिए, जैसे कि लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर में नए कणों की तलाश करने वाले प्रयोग या बीम-डंप प्रयोग। अध्ययन पाता है कि जबकि प्रस्तावित स्पष्टीकरण के कुछ हिस्से मौजूदा डेटा द्वारा पहले ही खारिज किए जा चुके हैं, एक महत्वपूर्ण हिस्सा खुला और अप्रमाणित बना हुआ है। इसका मतलब है कि सिद्धांत अभी भी जीवित है और अधिक डेटा की प्रतीक्षा कर रहा है। शोधकर्ता नोट करते हैं कि यदि भविष्य के प्रयोग डार्क फोटॉन का पता लगा सकते हैं या यदि लक्स-ज़ेप्लिन प्रयोग अधिक डेटा एकत्र करता है, तो वे इस विशिष्ट स्पष्टीकरण की पुष्टि या खंडन कर सकते हैं। इसके अलावा, यदि प्रारंभिक ब्रह्मांड वास्तव में इतनी तेज़ी से फैला था, तो इसने गुरुत्वाकर्षण तरंगों का एक मंद बैकग्राउंड छोड़ा होगा जिसे भविष्य के डिटेक्टर खोज सकते हैं, जो इस कहानी का परीक्षण करने का दूसरा तरीका प्रदान करता है।

अंततः, यह कार्य सुझाव देता है कि भूमिगत टैंक में हुई एक अजीब घटना एक मौलिक परिवर्तन की ओर इशारा करने वाला सुराग हो सकती है जो गुरुत्वाकर्षण और प्रारंभिक ब्रह्मांड के बारे में हमारी समझ को बदल देती है। यह यह सिद्ध नहीं करता कि संशोधित गुरुत्वाकर्षण वास्तविक है, न ही यह पुष्टि करता है कि लक्स-ज़ेप्लिन की घटना निश्चित रूप से डार्क मैटर है। इसके बजाय, यह दर्शाता है कि यदि हम मान लें कि ब्रह्मांड अपने शैशव काल में अलग तरह से फैला था, तो वह अजीब घटना डार्क मैटर के एक विशिष्ट प्रकार का एक संभावित संकेत बन जाती है जो अन्यथा पता लगाने के लिए बहुत कमजोर होता। यह शोधपत्र एक सुसंगत मार्ग प्रदान करता है, यह दिखाते हुए कि कैसे एक एकल विसंगति हमें ब्रह्मांड के इतिहास और उस अदृश्य पदार्थ की प्रकृति पर पुनर्विचार करने के लिए प्रेरित कर सकती है जो इसे थामे हुए है।