Cosmological Constrained Axion-Portal Inelastic Dark Matter for the LZ Event
यह शोध पत्र एक कॉस्मोलॉजिकल रूप से बाधित इनइलास्टिक डार्क मैटर मॉडल प्रस्तावित करता है जहाँ दीर्घजीवी उत्तेजित अवस्था (excited state) की अवशेष प्रचुरता (relic abundance) प्रारंभिक ब्रह्मांड की रूपांतरण प्रक्रियाओं और एक्सियन-पोर्टल कपलिंग्स की लोरेन्त्ज़ संरचना द्वारा गतिशील रूप से निर्धारित होती है, जो एंडोथर्मिक या एक्सोथर्मिक स्कैटरिंग परिदृश्यों के माध्यम से उच्च-रिकोइल LZ घटना के लिए एक व्यवहार्य स्पष्टीकरण प्रस्तुत करता है जिसे भविष्य के वार्षिक मॉड्यूलेशन मापन और कोलाइडर जांच द्वारा अलग किया जा सकता है।
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द दशकों से, भौतिकी में सबसे निरंतर रहस्य डार्क मैटर (dark matter) की प्रकृति रहा है। हम जानते हैं कि यह अस्तित्व में है क्योंकि इसका गुरुत्वाकर्षण आकाशगंगाओं को एक साथ थामे रखता है, फिर भी यह प्रकाश या साधारण पदार्थ के साथ किसी भी तरह से उस रूप में परस्पर क्रिया करने से इनकार करता है जिसे हम आसानी से पहचान सकें। वैज्ञानिकों ने वर्षों तक जमीन के नीचे गहराई में विशाल, अत्यंत संवेदनशील डिटेक्टर बनाने में बिताए हैं, इस उम्मीद में कि शायद कभी डार्क मैटर का कोई कण डिटेक्टर में एक परमाणु से टकरा जाए। मानक अपेक्षा यह रही है कि ये टकराव सौम्य, कम ऊर्जा वाले आयोजन होंगे। हालांकि, दक्षिण डकोटा में लक्स-जेप्लिन (LUX-ZEPLIN) प्रयोग की एक हालिया रिपोर्ट ने इस शांत अपेक्षा को झकझोर कर रख दिया है। लिक्विड जेनन (liquid xenon) से भरे इस डिटेक्टर ने एक एकल, असामान्य रूप से ऊर्जावान टक्कर दर्ज की, जो मानक मॉडलों द्वारा अनुमानित बल से कहीं अधिक शक्तिशाली थी। इस उच्च-ऊर्जा "रिकोइल" (recoil) को सामान्य सिद्धांतों के साथ समझाना कठिन है, जो यह सुझाव देता है कि यदि डार्क मैटर वास्तव में इसके लिए जिम्मेदार है, तो यह पहले की कल्पना की तुलना में बहुत अधिक जटिल और गतिशील तरीके से व्यवहार कर सकता है।
भौतिकविदों की एक टीम ने अब इस अजीब घटना की व्याख्या करने के लिए एक विशिष्ट परिदृश्य प्रस्तावित किया है, जिसमें यह सुझाव दिया गया है कि डार्क मैटर एक एकल, समान पदार्थ नहीं है बल्कि दो अलग-अलग अवस्थाओं में आता है, जैसे कि एक ग्राउंड स्टेट (ground state) और एक एक्साइटेड स्टेट (excited state)। उनके मॉडल में, ये दोनों अवस्थाएं द्रव्यमान में लगभग समान हैं लेकिन एक सूक्ष्म ऊर्जा अंतराल द्वारा अलग होती हैं। शोधकर्ताओं ने एक ऐसा ढांचा तैयार किया जहाँ ये दोनों अवस्थाएं एक काल्पनिक कण, जिसे 'एक्सियन-लाइक पार्टिकल' (axion-like particle) कहा जाता है, के साथ परस्पर क्रिया करती हैं, जो डार्क वर्ल्ड और दृश्य दुनिया के बीच एक सेतु के रूप में कार्य करता है। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने केवल यह नहीं माना कि आज एक अवस्था मौजूद है; उन्होंने ब्रह्मांड के जन्म से लेकर वर्तमान समय तक इन कणों के संपूर्ण इतिहास का पता लगाया। उन्होंने पाया कि प्रारंभिक ब्रह्मांड में ये दो अवस्थाएं एक-दूसरे में किस प्रकार परिवर्तित होती हैं, यह निर्धारित करता है कि आज कौन सी अवस्था प्रभावी है, और यह इतिहास सीधे तौर पर यह नियंत्रित करता है कि पृथ्वी पर एक डिटेक्टर में डार्क मैटर कैसा व्यवहार करेगा।
शोधकर्ताओं ने खोजा कि परिणाम पूरी तरह से डार्क मैटर और एक्सियन-लाइक पार्टिकल के बीच के संबंध की विशिष्ट गणितीय प्रकृति पर निर्भर करता है। यदि यह संबंध एक "स्केलर" (scalar) प्रकार का है, तो प्रारंभिक ब्रह्मांड में रूपांतरण प्रक्रिया बहुत कुशल है, जो लगभग सभी एक्साइटेड स्टेट को हटा देती है। इस स्थिति में, आज हम तक पहुँचने वाला डार्क मैटर लगभग पूरी तरह से निम्न-ऊर्जा वाली अवस्था में होता है। इस टक्कर से ऊर्जा अवशोषित करने के लिए एक कण को एक्साइटेड स्टेट में ऊपर जाने की आवश्यकता होगी, जो एक ऐसी प्रक्रिया है जिसके लिए एक बहुत ही विशिष्ट, उच्च-गति वाले प्रभाव की आवश्यकता होती है। इसके विपरीत, यदि संबंध एक "स्यूडोस्केलर" (pseudoscalar) प्रकार का है, तो रूपांतरण अक्षम है, जिससे लगभग आधा डार्क मैटर एक्साइटेड स्टेट में रह जाता है। इस परिदृश्य में, प्रमुख प्रक्रिया एक्साइटेड स्टेट का निम्न अवस्था में गिरना है, जो अतिरिक्त ऊर्जा छोड़ता है जो टक्कर को बढ़ावा देता है। दोनों परिदृश्य लक्स-जेप्लिन प्रयोग द्वारा देखे गए सटीक ऊर्जा, लगभग 250 keV के आसपास एक टक्कर शिखर (collision peak) उत्पन्न कर सकते हैं, लेकिन वे डेटा के शेष भाग के लिए बहुत अलग व्यवहार का अनुमान लगाते हैं।
यह अंतर भविष्य के अवलोकनों के साथ इस सिद्धांत का परीक्षण करने का एक तरीका प्रदान करता है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि यदि एक्साइटेड स्टेट दुर्लभ है, तो सिग्नल में मौसमी भिन्नता दिखाई देगी, जो जून में चरम पर होगी जब पृथ्वी डार्क मैटर हेलो के माध्यम से सबसे तेज़ गति से चलती है। यदि एक्साइटेड स्टेट सामान्य है, तो सिग्नल पूरे वर्ष बहुत स्थिर रहेगा। लक्स-जेप्लिन द्वारा रिपोर्ट की गई एकल घटना 16 जून को हुई थी, जो उस परिदृश्य के साथ पूरी तरह से मेल खाती है जहाँ एक्साइटेड स्टेट दुर्लभ है। हालांकि यह एकल घटना इस सिद्धांत को सिद्ध करने के लिए पर्याप्त नहीं है, शोधकर्ता दिखाते हैं कि वर्तमान और भविष्य के डिटेक्टरों से अधिक डेटा के साथ, वैज्ञानिक इन दोनों संभावनाओं के बीच अंतर कर सकते हैं। उनका कार्य यह प्रदर्शित करता है कि ब्रह्मांड का इतिहास उन तरीकों में लिखा गया है जिनसे डार्क मैटर आज बिखर सकता है, जो प्रारंभिक ब्रह्मांड की स्थितियों को सीधे उन संकेतों से जोड़ता है जिन्हें हम अपनी प्रयोगशालाओं में पकड़ने की आशा करते हैं। इसके अलावा, वे उल्लेख करते हैं कि इस डार्क मैटर मॉडल में शामिल उन्हीं कणों को उच्च-ऊर्जा वाले पार्टिकल कोलाइडर्स में सीधे उत्पादित और अध्ययन किया जा सकता है, जो इस स्पष्टीकरण की पुष्टि करने या इसे खारिज करने का एक दूसरा मार्ग प्रदान करता है।
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