Caught by its own light: Wimpzillas, the LHAASO knee and the diffuse $\gamma$-ray sky

पृथ्वी से बहुत ऊपर, आकाश लगातार लगभग प्रकाश की गति से यात्रा करने वाले अदृश्य कणों की बमबारी झेल रहा है। ये कॉस्मिक किरणें हैं, जो मुख्य रूप से प्रोटॉन और परमाणु नाभिक हैं, जिनकी उत्पत्ति हमारी आकाशगंगा में होने वाली हिंसक घटनाओं, जैसे कि विस्फोट होते सितारों से होती है। दशकों से, वैज्ञानिक उनकी ऊर्जाओं का मानचित्रण कर रहे हैं, उन पैटर्नों की तलाश में हैं जो यह प्रकट कर सकें कि वे कहाँ से आते हैं और कैसे त्वरित होते हैं। हाल ही में, चीन में स्थित LHAASO नामक एक विशाल वेधशाला ने अत्यंत उच्च ऊर्जा पर इन कणों का अब तक का सबसे विस्तृत मानचित्र प्रदान किया है, जिसमें डेटा में एक अजीब "घुटने" (knee) का पता चला है जहाँ कणों की संख्या अचानक गिर जाती है। यह विशेषता एक तीव्र बहस को जन्म दे रही है: क्या यह एक नए प्रकार के कॉस्मिक त्वरक का संकेत है, या क्या यह ब्रह्मांड के जन्म से मौजूद एक रहस्यमय, भारी कण की मंद गूँज हो सकती है?

शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक विशिष्ट, विलक्षण विचार का परीक्षण करने के लिए हाथ आजमाया: कि कॉस्मिक किरण स्पेक्ट्रम में यह "घुटना" (knee) "विम्पज़िला" (wimpzillas) के क्षय के कारण होता है। ये काल्पनिक अति-भारी डार्क मैटर कण हैं, जो किसी भी ज्ञात कण की तुलना में कहीं अधिक विशाल हैं, और संभवतः बिग बैंग के दौरान निर्मित हुए थे। यदि ऐसा कोई कण अस्तित्व में है और आज धीरे-धीरे क्षय हो रहा है, तो वह छोटे कणों के समूह में टूट जाएगा, जिसमें प्रोटॉन और फोटॉन (प्रकाश) शामिल हैं। शोधकर्ताओं ने LHAASO के सटीक डेटा का उपयोग यह देखने के लिए किया कि क्या पृथ्वी पर पहुँचने वाले प्रोटॉन को इस क्षय द्वारा समझाया जा सकता है। उन्होंने पाया कि प्रोटॉन के लिए गणित पूरी तरह से काम करता है। हमारी आकाशगंगा के प्रभामंडल (halo) में क्षय होने वाला 50 मिलियन बिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट द्रव्यमान का एक डार्क मैटर कण, प्रोटॉन स्पेक्ट्रम के सटीक आकार को पुनरुत्पादित कर सकता है, जिसमें कम ऊर्जा पर कठोरता (hardening) और घुटने पर तीक्ष्ण गिरावट भी शामिल है। वास्तव में, इस सिद्धांत को डेटा के साथ इतनी अच्छी तरह फिट करने के लिए इस कण का द्रव्यमान ही एकमात्र आवश्यक चर (variable) था।

हालाँकि, कहानी तब एक तीखा मोड़ लेती है जब शोधकर्ता उसी सिक्के के दूसरे पहलू को देखते हैं। जब एक भारी कण क्षय होता है, तो वह केवल प्रोटॉन ही नहीं बनाता; वह एक निश्चित, अनुमानित अनुपात में फोटॉन भी बनाता है। इन कणों के टूटने के भौतिक विज्ञान के कारण, क्षय से प्रोटॉन के रूप में प्राप्त ऊर्जा की तुलना में प्रकाश के रूप में लगभग तीन गुना अधिक ऊर्जा उत्पन्न होनी चाहिए। टीम ने सटीक गणना की कि यदि प्रोटॉन वाला स्पष्टीकरण सत्य होता, तो आकाश में गामा-रे प्रकाश की कितनी बाढ़ आ जाती। इसके बाद, उन्होंने अपने इस पूर्वानुमान की तुलना LHAASO द्वारा मापे गए वास्तविक गामा-रे आकाश से की। परिणाम इस विचार को एक निर्णायक खंडन था। क्षय होते डार्क मैटर से उत्पन्न होने वाला अनुमानित प्रकाश बहुत अधिक चमकीला था, जो बैकग्राउंड की गणना के आधार पर, देखे गए गामा-रे बैकग्राउंड से दस से सौ गुना अधिक था।

निष्कर्ष स्पष्ट है: जबकि क्षयकारी डार्क मैटर मॉडल प्रोटॉन डेटा के साथ खूबसूरती से फिट बैठता है, इसे प्रकाश के डेटा द्वारा खारिज कर दिया गया है। ब्रह्मांड में इन क्षयकारी कणों के अस्तित्व को समझाने के स्तर पर पर्याप्त गामा किरणें मौजूद नहीं हैं। शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि यह केवल एक सेट के नंबरों को फिट करने की विफलता नहीं है, बल्कि एक ही स्रोत से आने वाले दो अलग-अलग प्रकार के प्रकाश और पदार्थ के बीच एक मौलिक विरोधाभास है। प्रोटॉन और फोटॉन भौतिकी के नियमों द्वारा एक साथ बंधे हुए हैं; आप फोटॉन के बिना प्रोटॉन नहीं रख सकते। चूंकि अनुमानित मात्रा में फोटॉन वहां मौजूद नहीं हैं, इसलिए प्रोटॉन भी इस स्रोत से नहीं आ सकते।

यह अध्ययन कई माध्यमों से ब्रह्मांड को देखने की शक्ति को रेखांकित करता है। एक सिद्धांत जो एक प्रकार के कण की जांच करते समय पूर्ण दिखता है, वह तुरंत ढह सकता है जब संबंधित प्रकाश की जाँच की जाती है। LHAASO वेधशाला ने प्रोटॉन स्पेक्ट्रम का एक सटीक माप प्रदान किया है, जो एक जटिल संरचना की पुष्टि करता है जिसे खगोलीय मॉडल 'फाइन-ट्यूनिंग' के बिना समझाने के लिए संघर्ष करते हैं। फिर भी, जब इसी डेटा को गामा-रे सीमाओं के साथ जोड़ा जाता है, तो यह अति-भारी डार्क मैटर क्षय के विचार के द्वार बंद कर देता है। कॉस्मिक किरण स्पेक्ट्रम में यह "घुटना" (knee) एक रहस्य बना हुआ है, जो संभवतः हमारी आकाशगंगा के भीतर जटिल खगोलीय प्रक्रियाओं की ओर संकेत करता है न कि डार्क मैटर भौतिकी के किसी नए रूप की ओर। खोज जारी है, लेकिन इस विशेष पथ को उसी प्रकाश द्वारा अवरुद्ध कर दिया गया है जिसे सिद्धांत ने उत्पन्न करने का वादा किया था।