A DM candidate indicated at Fermi-LAT and LZ ? Connection with LHC and LC prospects
यह शोध पत्र प्रस्तावित करता है कि एक 20 GeV फर्मी-एलएटी (Fermi-LAT) फोटॉन विसंगति और एक लक्स-ज़ेप्लिन (LUX-ZEPLIN) डार्क मैटर उम्मीदवार को स्पिन-2 कलुज़ा-क्लेन (Kaluza-Klein) ग्रेविटन अनुनादों के माध्यम से डार्क मैटर के विलोपन द्वारा समझाया जा सकता है, जो कि एसयूएसवाई (SUSY) व्याख्याओं से भिन्न एक परिदृश्य है जिसे एलएचसी (LHC) डेटा द्वारा पुष्ट किया जा सकता है और भविष्य के इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कॉलाइडरों द्वारा जांचा जा सकता है।
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द दशकों से, भौतिक विज्ञानी एक ऐसे साये का पीछा कर रहे हैं जो ब्रह्मांड के अधिकांश द्रव्यमान का निर्माण करता है, लेकिन स्वयं को प्रकट करने से इनकार करता है। यह अदृश्य पदार्थ, जिसे डार्क मैटर (dark matter) के रूप में जाना जाता है, न तो प्रकाश उत्सर्जित करता है, और न ही उन साधारण परमाणुओं के साथ अंतःक्रिया करता है जिनसे हमारी दुनिया बनी है, फिर भी इसका गुरुत्वाकर्षण आकाशगंगाओं को एक साथ थामे रखता है। इसे खोजने के लिए, वैज्ञानिक दो मुख्य तरीकों से देखते हैं: या तो वे भूमिगत गहराई में स्थित डिटेक्टरों से टकराने के लिए डार्क मैटर कणों की प्रतीक्षा करते हैं, या वे उस मंद प्रकाश की खोज करते हैं जो तब उत्पन्न होता है जब अंतरिक्ष में ये कण आपस में टकराकर एक-दूसरे को नष्ट कर देते हैं। नवीनतम शोध को प्रेरित करने वाला प्रश्न सरल लेकिन गहरा है: यदि हम अंततः इस लुप्त द्रव्यमान के लिए कोई उम्मीदवार खोज लेते हैं, तो वह किस प्रकार का कण है, और वह कैसा व्यवहार करता है?
एक नया विश्लेषण दो स्पष्ट रूप से असंबंधित खोजों को एक साहसिक उत्तर प्रस्तावित करने के लिए एक साथ लाता है। फर्मी-एलएटी (Fermi-LAT) स्पेस टेलीस्कोप के शोधकर्ताओं ने हमारी आकाशगंगा के प्रभामंडल (halo) में 20 GeV के आसपास केंद्रित ऊर्जावान फोटॉन, या प्रकाश कणों, की एक अप्रत्याशित अधिकता देखी है। इसी समय, लक्स-ज़ेप्लिन (LUX-ZEPLIN) डिटेक्टर, जो तरल ज़ेनॉन का एक विशाल टैंक है और जमीन के नीचे गहराई में दबा हुआ है, ने एक ऐसी घटना दर्ज की है जो डार्क मैटर कण के ज़ेनॉन परमाणु से टकराने जैसी दिखती है। यह घटना महत्वपूर्ण है क्योंकि जमा की गई ऊर्जा इतनी अधिक है कि इसे बैकग्राउंड शोर समझने की संभावना लगभग असंभव है। जब इन्हें मिला दिया जाता है, तो ये दोनों संकेत कुछ सौ GeV के द्रव्यमान वाले डार्क मैटर कण की ओर इशारा करते हैं। हालाँकि, एक पहेली शेष है: यदि यह कण मौजूद है, तो हम बौनी आकाशगंगाओं (dwarf galaxies) में समान संकेत क्यों नहीं देखते, जो डार्क मैटर से समृद्ध हैं लेकिन हमारी अपनी आकाशगंगा में देखे गए संकेत से रहित हैं?
इस अध्ययन के लेखक सुझाव देते हैं कि समाधान कणों की गति और उस बल की प्रकृति में निहित है जिसका उपयोग वे अंतःक्रिया करने के लिए करते हैं। हमारी आकाशगंगा में, डार्क मैटर के कण शांत, धीमी गति वाली बौनी आकाशगंगाओं की तुलना में बहुत तेज़ गति से चलते हैं। शोधकर्ता प्रस्तावित करते हैं कि ये कण सीधे टकराते नहीं हैं, बल्कि एक भारी, अल्पकालिक कण के माध्यम से अंतःक्रिया करते हैं जिसका स्पिन दो है, जिसे कलुज़ा-क्लेन ग्रेविटॉन (Kaluza-Klein graviton) कहा जाता है। इस विशिष्ट प्रकार की अंतःक्रिया गति पर बहुत अधिक निर्भर करती है; क्योंकि बौनी आकाशगंगाओं में कण बहुत धीमी गति से चलते हैं, इसलिए उनके टकराने और प्रकाश उत्पन्न करने की संभावना नाटकीय रूप से गिर जाती है, जो यह समझाता है कि वे दूरस्थ आकाशगंगाएँ मौन क्यों दिखाई देती हैं। यह तंत्र उन पुराने सिद्धांतों के बिल्कुल विपरीत है जिन्होंने सुझाव दिया था कि डार्क मैटर 'हिग्सिनो' (Higgsino) नामक एक प्रकार का कण है, जो अलग तरह से अंतःक्रिया करेगा और एक बहुत अधिक भारी द्रव्यमान की भविष्यवाणी करेगा जो वर्तमान डेटा के अनुकूल नहीं है।
इस विचार को समर्थन लार्ज हैड्रोन कोलाइडर (Large Hadron Collider) से मिलता है, जहाँ वैज्ञानिक अतिरिक्त आयामों के संकेतों की खोज कर रहे हैं। इन टक्करों के डेटा से इन भारी ग्रेविटॉन कणों के एक "टावर" का संकेत मिलता है, जिनके द्रव्यमान विशिष्ट अंतराल पर दिखाई देते हैं, जैसे कि लगभग 380 GeV, 700 GeV और 1 TeV। इनमें से एक रेजोनेंस (resonance) वही कण हो सकता है जो हमारी आकाशगंगा में डार्क मैटर के विनाश (annihilation) की अनुमति देता है। यदि यह व्याख्या सही है, तो यह खेल के नियमों को बदल देती है। यह सुझाव देता है कि जिस डार्क मैटर की हम तलाश कर रहे हैं वह मानक सिद्धांतों द्वारा अक्सर अनुमानित भारी हिग्सिनो नहीं है, बल्कि एक हल्का कण है, संभवतः लगभग 190 GeV का, जो इन ग्रेविटॉन रेजोनेंस के साथ जुड़ता है।
भविष्य के प्रयोगों के लिए इसके निहितार्थ पर्याप्त हैं। यदि ये ग्रेविटॉन रेजोनेंस मौजूद हैं और इलेक्ट्रॉनों के साथ अंतःक्रिया करते हैं, तो एक भविष्य का इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर उन्हें प्रचुर मात्रा में उत्पन्न करने के लिए एक फैक्ट्री के रूप में कार्य कर सकता है। शोधकर्ता गणना करते हैं कि ऐसा मशीन इन कणों को हजारों की संख्या में उत्पन्न कर सकती है, जिससे वैज्ञानिकों को उनके गुणों का विस्तार से अध्ययन करने और यह पुष्टि करने में सक्षम होने में मदद मिलेगी कि क्या वे वास्तव में डार्क मैटर की कुंजी हैं। जबकि वर्तमान साक्ष्य अभी भी बन रहे हैं, जिसमें फर्मी-एलएटी डेटा फोटॉन स्पेक्ट्रम में एक मामूली उभार दिखा रहा है और एलएचसी (LHC) इन रेजोनेंस के संकेत देख रहा है, अंतरिक्ष, भूमिगत और कण कोलाइडर से संकेतों का यह अभिसरण एक सुसंगत चित्र प्रस्तुत करता है। यदि इसकी पुष्टि हो जाती है, तो यह न केवल डार्क मैटर कण की पहचान करेगा, बल्कि अतिरिक्त आयामों और हमारे ब्रह्मांड के नीचे छिपी वास्तविकता की एक नई परत के लिए पहला ठोस प्रमाण भी प्रदान करेगा।
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