Probing multi-state dark matter via optical absorption lines in DESI spectra
अग्रभूमि गैलेक्सी समूहों के साथ 145,087 DESI स्पेक्ट्रा को स्टैक करके, शोधकर्ताओं ने मल्टी-स्टेट डार्क मैटर अवशोषण रेखाओं के लिए कोई साक्ष्य नहीं पाया, जिससे एक ऐसे पैरामीटर स्पेस में MeV-स्केल डार्क मैटर के लिए चुंबकीय द्विध्रुव संक्रमण क्रॉस-सेक्शन पर कड़े ऊपरी सीमाएं स्थापित की गईं जो वर्तमान कॉस्मोलॉजिकल और प्रत्यक्ष पहचान प्रयोगों के लिए अप्राप्य है।
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द दशकों से, ब्रह्मांड में सबसे प्रमुख पदार्थ अदृश्य बना हुआ है। हम जानते हैं कि डार्क मैटर (dark matter) अस्तित्व में है क्योंकि इसका गुरुत्वाकर्षण आकाशगंगाओं को एक साथ थामे रखता है और कॉस्मिक वेब (cosmic web) को आकार देता है, फिर भी इसके एक भी कण को पकड़ने का हर प्रयास खाली रहा है। वैज्ञानिकों ने वर्षों तक उस डार्क मैटर की खोज में समय बिताया है जो शायद साधारण परमाणुओं से टकरा सकता है या इलेक्ट्रॉनों से बिखर सकता है, लेकिन अब तक कोई पुष्ट संकेत सामने नहीं आया है। इस सन्नाटे ने शोधकर्ताओं को एक अलग संभावना पर विचार करने के लिए प्रेरित किया है: शायद डार्क मैटर एक एकल, स्थिर प्रकार का कण नहीं है, बल्कि कणों का एक परिवार है जो अपनी अवस्था बदल सकते हैं। जिस तरह एक परमाणु ऊर्जा स्तरों के बीच कूद सकता है, उसी तरह ये डार्क मैटर कण एक आधार अवस्था (ground state) और एक थोड़ी भारी उत्तेजित अवस्था (excited state) रख सकते हैं। यदि यह सच है, और यदि ये कण एक सूक्ष्म चुंबकीय संबंध के माध्यम से प्रकाश के साथ अंतःक्रिया कर सकते हैं, तो वे गुजरते हुए प्रकाश पर एक धुंधला, विशिष्ट निशान छोड़ सकते हैं।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने दूरस्थ आकाशगंगाओं के प्रकाश पर डार्क मैटर द्वारा डाली गई एक भूतिया छाया की तलाश करके इस विचार का परीक्षण किया है। उन्होंने एक ऐसी स्थिति पर ध्यान केंद्रित किया जहाँ एक डार्क मैटर कण अपनी आधार अवस्था से उत्तेजित अवस्था में कूदने के लिए एक बहुत ही विशिष्ट रंग के फोटॉन को अवशोषित करता है। यदि ऐसे कण आकाशगंगा समूहों के प्रभामंडल (halos) में मौजूद हैं, तो वे एक फिल्टर की तरह कार्य करने चाहिए, जो उनके पीछे के पृष्ठभूमि स्रोतों से प्रकाश के एक बहुत छोटे हिस्से को हटा देते हैं। चुनौती यह है कि यह प्रभाव अविश्वसनीय रूप से कमजोर है; एक एकल आकाशगंगा समूह इस संकेत को प्रकट करने के लिए बहुत धुंधला है। इस समस्या को हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने DESI नामक एक विशाल स्पेक्ट्रोस्कोपिक सर्वेक्षण का सहारा लिया, जो लाखों आकाशगंगाओं का प्रकाश कैप्चर करता है, और इसे GAMA सर्वेक्षण के पास के आकाशगंगा समूहों के एक कैटलॉग के साथ जोड़ा। 1,45,000 से अधिक पृष्ठभूमि स्रोतों के प्रकाश को अग्रभूमि (foreground) के आकाशगंगा समूहों की स्थितियों के साथ संरेखित करके, उन्होंने प्रभावी रूप से डेटा को 'स्टैक' (stack) किया, जिससे शोर के बीच से एक सार्वभौमिक संकेत उभर सका जबकि यादृच्छिक त्रुटियां एक-दूसरे को समाप्त कर गईं।
इस विशाल स्टैकिंग प्रयास का परिणाम एक स्वच्छ, खाली स्पेक्ट्रम था। जब शोधकर्ताओं ने उस विशिष्ट अवशोषण रेखा (absorption line) की तलाश की जो डार्क मैटर के उत्तेजित अवस्था में कूदने का संकेत देती, तो उन्हें कुछ भी नहीं मिला। डेटा ने प्रकाश में कोई गिरावट नहीं दिखाई, जिसका अर्थ है कि ऑप्टिकल डेप्थ (optical depth)—जो इस बात का माप है कि कितना प्रकाश अवरुद्ध हुआ—शून्य के अनुरूप था। हालांकि यह एक शून्य परिणाम लग सकता है, लेकिन यह एक शक्तिशाली खोज है क्योंकि यह टीम को इस बात पर सख्त सीमाएं निर्धारित करने की अनुमति देता है कि डार्क मैटर प्रकाश के साथ कितनी मजबूती से अंतःक्रिया कर सकता है। उन्होंने निर्धारित किया कि यदि ये बहु-अवस्था वाले डार्क मैटर कण कुछ मिलियन इलेक्ट्रॉनवोल्ट के द्रव्यमान और 2.5 से 5 इलेक्ट्रॉनवोल्ट के बीच संक्रमण ऊर्जा के साथ मौजूद हैं, तो प्रकाश को अवशोषित करने की उनकी क्षमता पहले से अनपरीक्षित सिद्धांतों की अनुमति देने वाली क्षमता से कहीं अधिक कमजोर होनी चाहिए। यह सीमा विशेष रूप से महत्वपूर्ण है क्योंकि यह उस अंतराल में स्थित है जहाँ अन्य तरीके, जैसे कि प्रारंभिक ब्रह्मांड का अध्ययन करना या प्रत्यक्ष पहचान प्रयोग, आसानी से नहीं देख सकते।
यह अध्ययन पुष्टि करता है कि स्पेक्ट्रोस्कोपिक स्टैकिंग विधि इन मायावी कणों की खोज के लिए एक व्यवहार्य उपकरण के रूप में काम करती है। हालांकि DESI सर्वेक्षण के प्रारंभिक रिलीज के वर्तमान डेटा ने डार्क मैटर सिग्नल नहीं पाया, लेकिन माप की सटीकता पहले से अज्ञात कुछ प्रकार की अंतःक्रियाओं को खारिज करने के लिए पहले से ही पर्याप्त मजबूत है। शोधकर्ता अनुमान लगाते हैं कि जैसे-जैसे पूर्ण DESI सर्वेक्षण और भविष्य की पीढ़ियों के टेलीस्कोप अधिक डेटा एकत्र करेंगे, इस तकनीक की संवेदनशीलता नाटकीय रूप रूप से सुधरेगी। अधिक स्पेक्ट्रा को स्टैक करने के साथ, डार्क मैटर की चुंबकीय अंतःक्रियाओं पर सीमाएं दस गुना से अधिक कसी जा सकती हैं, जो या तो इस विशिष्ट प्रकार के डार्क मैटर पर दरवाजा बंद कर सकती हैं या, यदि सिग्नल वर्तमान दहलीज से ठीक नीचे है, तो अंततः इसकी उपस्थिति को प्रकट कर सकती है। फिलहाल, ब्रह्मांड इस विशिष्ट आवृत्ति में शांत है, लेकिन इस पद्धति ने यह सिद्ध कर दिया है कि हम उस स्पष्टता के साथ सुन सकते हैं जो पहले असंभव थी।
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