Self-field of a moving string

ब्रह्मांड की विशाल, अदृश्य वास्तुकला में, बिग बैंग के शुरुआती क्षणों के बाद छोड़े गए सैद्धांतिक निशान मौजूद हैं। ये निशान कॉस्मिक स्ट्रिंग्स (cosmic strings) के रूप में जाने जाते हैं, जो कोई भौतिक धागे नहीं हैं जिन्हें आप छू सकें, बल्कि अंतरिक्ष-समय (space-time) के ताने-बाने में अत्यंत विशाल, एक-आयामी दोष हैं। माना जाता है कि ये तब बनते हैं जब प्रकृति के मौलिक बल, जो कभी एकीकृत थे, ब्रह्मांड के ठंडा होने पर अचानक अलग हो गए, ठीक वैसे ही जैसे पानी जमते समय बर्फ में दरारें पड़ती हैं। इन स्ट्रिंग्स के विभिन्न प्रकारों में से, कुछ एक काल्पनिक कण जिसे एक्सियन (axion) कहा जाता है, उससे जुड़े हुए हैं। यदि ये एक्सियन स्ट्रिंग्स मौजूद हैं, तो वे लगातार क्षय (decay) होते रहेंगे, और एक्सियनों के रूप में ऊर्जा छोड़ते रहेंगे। चूंकि एक्सियन डार्क मैटर (dark matter) के प्रमुख उम्मीदवारों में से एक हैं—वह अदृश्य पदार्थ जो आकाशगंगाओं को एक साथ थामे रखता है—इसलिए यह समझना कि ये स्ट्रिंग्स अपनी ऊर्जा कैसे छोड़ते हैं, अत्यंत महत्वपूर्ण है। यह वैज्ञानिकों को यह अनुमान लगाने में मदद करता है कि आज कितना डार्क मैटर मौजूद होना चाहिए और स्वयं एक्सियन कण के द्रव्यमान की गणना करने में भी सक्षम बनाता है। हालांकि, इस ऊर्जा उत्सर्जन को मापना अविश्वसनीय रूप से कठिन है क्योंकि स्ट्रिंग्स अपने स्वयं के क्षेत्र (field) के एक घूमते हुए, तीव्र बादल से घिरे होते हैं, जो एक चकाचौंध भरी चमक की तरह कार्य करता है, जिससे उनके द्वारा उत्सर्जित वास्तविक विकिरण (radiation) का धुंधला संकेत छिप जाता है।

मैनचेस्टर विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस "चकाचौंध भरी चमक" की समस्या को हल करने का बीड़ा उठाया। वे अन्य वैज्ञानिकों द्वारा प्रस्तावित एक नई विधि की जांच कर रहे थे, जिसका उद्देश्य स्ट्रिंग के अपने क्षेत्र के शोर (noise) को छानना और उत्सर्जित एक्सियनों के वास्तविक संकेत को अलग करना था। इस नई विधि में एक विशिष्ट गणितीय मात्रा शामिल थी जिसे स्ट्रिंग के तात्कालिक परिवेश के प्रति कम संवेदनशील बनाया गया था। शोधकर्ता यह परीक्षण करना चाहते थे कि क्या यह नया उपकरण शोर से संकेत को अलग करने में वास्तव में प्रभावी था, या यह केवल समस्या को छिपा रहा था। इसे करने के लिए, उन्होंने शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का सहारा लिया, जिसमें इन कॉस्मिक स्ट्रिंग्स के डिजिटल मॉडल बनाए गए ताकि यह देखा जा सके कि वे वास्तव में कैसे व्यवहार करते हैं और क्या उत्सर्जित करते हैं।

टीम ने सबसे सरल संभव परिदृश्य पर इस नई विधि का परीक्षण करके शुरुआत की: अंतरिक्ष में एक निरंतर गति से चलते हुए एक पूरी तरह से सीधी स्ट्रिंग। इस अत्यधिक व्यवस्थित, सममित (symmetrical) स्थिति में, नई विधि खूबसूरती से काम करती हुई प्रतीत हुई। उनके द्वारा परीक्षण की गई गणितीय मात्रा ने स्ट्रिंग के अपने क्षेत्र के योगदान को सफलतापूर्वक दबा दिया, जिससे यह विकिरण मापने के एक स्वच्छ, कुशल उपकरण की तरह दिखने लगा। यह परिणाम इस पहले के दावे की पुष्टि करता प्रतीत हुआ कि यह नया दृष्टिकोण क्षेत्र में उपयोग की जाने वाली पारंपरिक विधियों की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार है। हालांकि, शोधकर्ताओं को संदेह था कि यह सफलता उनके परीक्षण मामले की पूर्ण समरूपता (symmetry) द्वारा निर्मित एक भ्रम हो सकती है। वास्तविक ब्रह्मांड में, कॉस्मिक स्ट्रिंग्स शायद ही कभी सीधी होती हैं; वे उलझी हुई, घुमावदार और लगातार आकार बदलने वाली होती हैं, जो एक जटिल नेटवर्क बनाती हैं जो अप्रत्याशित तरीकों से चलता है।

यह देखने के लिए कि क्या यह विधि अधिक यथार्थवादी स्थितियों में टिक पाती है, शोधकर्ताओं ने एक नया सिमुलेशन चलाया जिसमें एक ऐसी स्ट्रिंग दिखाई गई जो सीधी नहीं थी, बल्कि एक चिकनी, तरंग जैसी आकृति (wave-like pattern) में लहरा रही थी। इस साइनुसोइडल (sinusoidal) विक्षोभ ने वास्तविक कॉस्मिक स्ट्रिंग नेटवर्क में पाए जाने वाले प्रकार की जटिलता को पेश किया। जब उन्होंने इस लहराती हुई स्ट्रिंग पर अपना विश्लेषण लागू किया, तो तस्वीर नाटकीय रूप से बदल गई। उन्होंने पाया कि हालांकि नई विधि ने पुरानी विधि की तुलना में स्ट्रिंग के अपने क्षेत्र से होने वाले शोर को कम किया, लेकिन इसने इसे पूरी तरह समाप्त नहीं किया। उनके द्वारा मापे गए संकेत का एक महत्वपूर्ण हिस्सा स्ट्रिंग द्वारा उत्सर्जित विकिरण के बजाय उसके अपने क्षेत्र से आता था। विशेष रूप से, डेटा ने दिखाया कि माप अभी भी स्ट्रिंग की लंबाई के साथ होने वाली एक विशिष्ट गति द्वारा हावी था, एक ऐसी विशेषता जिसे नया तरीका छानने में विफल रहा क्योंकि इसे एक सीधी, अपरिवर्तित रेखा की धारणा के आधार पर डिजाइन किया गया था।

शोधकर्ताओं ने पाया कि नई विधि की पिछली सफलता गणितीय पदों के एक नाजुक रद्दीकरण (cancellation) के कारण थी जो केवल तभी होता है जब स्ट्रिंग पूरी तरह से सीधी और समान रूप से चलती है। एक बार जब स्ट्रिंग मुड़ जाती है या असमान रूप से चलती है, तो यह रद्दीकरण टूट जाता है, और "शोर" के रूप में स्वयं का क्षेत्र माप में वापस आ जाता है। अपने सिमुलेशन डेटा से स्वयं के क्षेत्र के योगदान को सीधे घटाने की तकनीक का उपयोग करके, वे दो संकेतों को अलग करने में सक्षम हुए। उन्होंने पाया कि इस घटाव के बिना, उनके नए माप में प्रभावी संकेत अभी भी स्ट्रिंग के दोलन (oscillation) का n=1 मोड था, जो कि एक्सियन विकिरण के बजाय स्ट्रिंग के अपने क्षेत्र का सीधा परिणाम है। यह मोड केवल तभी काफी हद तक कम हुआ जब उन्होंने मैन्युअल रूप से स्वयं के क्षेत्र को हटाया, जिससे यह स्पष्ट हुआ कि नया तरीका, हालांकि एक सुधार है, लेकिन वह वह अचूक समाधान (silver bullet) नहीं था जिसका दावा किया गया था।

अध्ययन इस निष्कर्ष पर पहुँचता है कि हालांकि यह नया गणितीय उपकरण पुराने वाले की तुलना में स्वयं के क्षेत्र को दबाने में बेहतर है, लेकिन यह यथार्थवादी परिदृश्यों में एक्सियन विकिरण के स्वच्छ माप के लिए पर्याप्त नहीं है। शोधकर्ता तर्क देते हैं कि पिछले अध्ययन जिन्होंने इस नई विधि को अत्यधिक प्रभावी बताया था, वे संभवतः उनके द्वारा उपयोग किए गए मॉडलों की सरलता से गुमराह हुए थे। उन मॉडलों ने, जिन्होंने स्ट्रिंग को अलग-अलग, सीधी खंडों (segments) के रूप में माना, उन जटिल अंतःक्रियाओं को मिस कर दिया जो एक वास्तविक, उलझे हुए नेटवर्क में होती हैं। निष्कर्ष बताते हैं कि एक वास्तविक कॉस्मिक स्ट्रिंग नेटवर्क के अराजक वातावरण में, स्वयं का क्षेत्र पुराने और नए दोनों माप विधियों पर हावी रहता है, जिससे अधिक परिष्कृत घटाव तकनीकों के बिना वास्तविक एक्सियन संकेत को पहचानना कठिन हो जाता है। यह कार्य एक महत्वपूर्ण सुधार के रूप में कार्य करता है, जो याद दिलाता है कि एक आदर्श, सैद्धांतिक दुनिया में किसी गणितीय समाधान की भव्यता हमेशा ब्रह्मांड की अव्यवस्थित वास्तविकता में अनुवादित नहीं होती है।