Leptogenesis and Planck-scale black hole remnants in a Pati-Salam cosmology
यह शोध पत्र एक न्यूनतम पाटी-सालाम (Pati-Salam) ब्रह्मांड विज्ञान की जांच करता है जहाँ आदिम ब्लैक होल वाष्पीकरण (primordial black hole evaporation) लेप्टोजेनेसिस को संचालित करता है और प्लैंक-स्केल डार्क मैटर अवशेष (Planck-scale dark matter remnants) उत्पन्न करता है, जो यह प्रकट करता है कि गैर-तापीय लेप्टोजेनेसिस और अवशेष डार्क मैटर परस्पर अनन्य (mutually exclusive) हैं लेकिन ग्राम के पास एक विशिष्ट प्रारंभिक ब्लैक होल द्रव्यमान वाले एक विशेष तापीय शासन (thermal regime) के माध्यम से उन्हें एक साथ साकार किया जा सकता है, जिससे स्टोकेस्टिक ग्रेविटेशनल वेव बैकग्राउंड और प्रभावी न्यूट्रिनो प्रजातियों के लिए परीक्षण योग्य भविष्यवाणियाँ प्राप्त होती हैं।
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ब्रह्मांड दो महान रहस्यों से भरा है जिन्हें आधुनिक भौतिकी ने अभी तक हल नहीं किया है। पहला यह है कि पदार्थ (matter) और प्रति-पदार्थ (antimatter) के बीच पदार्थ अधिक क्यों है। बिग बैंग के शुरुआती क्षणों में, पदार्थ और प्रति-पदार्थ समान मात्रा में उत्पन्न होने चाहिए थे, जिससे वे एक-दूसरे को नष्ट कर देते और पीछे केवल शुद्ध प्रकाश का सागर छोड़ देते। फिर भी, हम अस्तित्व में हैं। किसी चीज़ ने तराजू को झुका दिया, जिससे पदार्थ की एक मामूली अतिरिक्त मात्रा बनी जिसने अंततः तारों, ग्रहों और हमें बनाया। दूसरा रहस्य डार्क मैटर (dark matter) है। खगोलविदों को पता है कि ब्रह्मांड का लगभग एक चौथाई हिस्सा एक अदृश्य पदार्थ से बना है जो आकाशगंगाओं को एक साथ थामे रखता है, लेकिन किसी ने भी इसका कोई कण नहीं देखा है और न ही कोई जानता है कि यह किस चीज से बना है। दशकों से, वैज्ञानिक इन दोनों पहेलियों को अलग-अलग समझाने की कोशिश कर रहे हैं, अक्सर जटिल नए कणों या बलों का प्रस्ताव देते हैं। हालाँकि, एक हालिया अध्ययन बताता है कि दोनों का उत्तर एक ही अजीब, सूक्ष्म वस्तु में छिपा हो सकता है: एक आदिम ब्लैक होल (primordial black hole)।
ये उन विशाल ब्लैक होल की तरह नहीं हैं जो आकाशगंगाओं के केंद्रों में पाए जाते हैं, जो गिरते हुए सितारों से बनते हैं। इसके बजाय, ये सूक्ष्म ब्लैक होल हैं जो बिग बैंग के पहले सेकंड के एक अंश के भीतर बन सकते थे, जो प्रारंभिक ब्रह्मांड के घनत्व के उतार-चढ़ाव से निर्मित हुए थे। यदि वे अस्तित्व में हैं, तो वे अविश्वसनीय रूप से छोटे होंगे, कुछ का वजन एक ग्राम से भी कम होगा, और वे अभी भी 'हॉकिंग रेडिएशन' (Hawking radiation) नामक प्रक्रिया के माध्यम से ऊर्जा मुक्त करते हुए वाष्पित हो रहे होंगे। शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नया मॉडल बनाया है जो दिखाता है कि कैसे ये छोटे ब्लैक होल ब्रह्मांडीय कारखाने के रूप में कार्य कर सकते थे, जो हमारे पदार्थ-प्रधान ब्रह्मांड को बनाने के लिए आवश्यक भारी कणों का उत्पादन करते हैं और साथ ही एक स्थिर अवशेष (residue) छोड़ते हैं जो आज दिखने वाले डार्क मैटर का निर्माण करता है।
शोधकर्ताओं ने 'पाटी-सलाम मॉडल' (Pati–Salam model) नामक एक विशिष्ट सैद्धांतिक ढांचे के भीतर काम किया। यह प्रकृति के मूलभूत कणों को व्यवस्थित करने का एक तरीका है जो दाहिने हाथ के न्यूट्रिनो (right-handed neutrino)—जो परिचित न्यूट्रिनो का एक भारी, अदृश्य चचेरा भाई है—को ब्रह्मांड की संरचना के एक वैकल्पिक हिस्से के बजाय एक आवश्यक हिस्से के रूप में मानता है। इस मॉडल में, इन भारी न्यूट्रिनो का अस्तित्व एक विशिष्ट ऊर्जा स्तर से जुड़ा है जहाँ प्रकृति के बल अलग होते हैं। टीम ने एक सरल लेकिन कठिन प्रश्न पूछा: क्या आदिम ब्लैक होल का वाष्पीकरण उन भारी न्यूट्रिनों को प्रदान कर सकता है जिनकी आवश्यकता पदार्थ-प्रति-पदार्थ के असंतुलन को उत्पन्न करने के लिए होती है, और क्या ब्लैक होल स्वयं एक अवशेष छोड़ सकते हैं जो डार्क मैटर के रूप में कार्य करता है?
इसका उत्तर देने के लिए, उन्होंने इन ब्लैक होल के जीवन चक्र का अनुकरण (simulation) किया। उन्होंने एक ऐसे ब्रह्मांड से शुरुआत की जहाँ बलों का विभाजन मुद्रास्फीति (inflation) के तीव्र विस्तार से पहले ही हो चुका था, जिससे खतरनाक चुंबकीय मोनोपोल्स (magnetic monopoles) पतले होकर समाप्त हो गए। फिर उन्होंने ब्लैक होल की एक विशिष्ट द्रव्यमान सीमा वाली आबादी पेश की। जैसे-जैसे ये ब्लैक होल वाष्पित होते, वे कणों को बाहर निकालते। यदि ब्लैक होल पर्याप्त गर्म होते, तो वे भारी दाहिने हाथ के न्यूट्रिनो उत्सर्जित करते। ये न्यूट्रिनो फिर इस तरह से क्षय (decay) होते जिससे पदार्थ और प्रति-पदार्थ के बीच एक मामूली अंतर पैदा होता। यह अतिरिक्त मात्रा अंततः बेयोन (baryons)—प्रोटॉन और न्यूट्रॉन—में परिवर्तित हो जाती जो समस्त दृश्य पदार्थ का निर्माण करते हैं।
अध्ययन में पाया गया कि यह प्रक्रिया काम करती है, लेकिन केवल बहुत विशिष्ट परिस्थितियों में। शोधकर्ताओं ने ब्लैक होल के द्रव्यमान के आधार पर एक स्पष्ट विभाजन पाया। यदि ब्लैक होल बहुत हल्के थे, जिनका वजन लगभग सौ ग्राम या उससे कम था, तो वे भारी न्यूट्रिनो को सीधे उत्सर्जित करने के लिए पर्याप्त गर्म होते। यह पदार्थ का एक "गैर-तापीय" (non-thermal) स्रोत बनाता, जिससे ब्रह्मांड के अत्यंत गर्म होने की आवश्यकता के बिना पदार्थ की विषमता (asymmetry) उत्पन्न होती। हालाँकि, डार्क मैटर पर विचार करते समय यह परिदृश्य एक बाधा से टकराता है। यदि हल्के ब्लैक होल पूरी तरह से वाष्पित हो जाते हैं, तो वे पीछे कुछ नहीं छोड़ते। लेकिन यदि क्वांटम ग्रेविटी उनके गायब होने से ठीक पहले उनके वाष्पीकरण को रोक देती है, जिससे एक छोटा, स्थिर "अवशेष" (remnant) बच जाता है, तो गणित विफल हो जाता है। अध्ययन दिखाता है कि यदि ब्लैक होल इस तरह से पदार्थ विषमता बनाने के लिए पर्याप्त हल्के हैं, तो बचे हुए अवशेष इतने अधिक होंगे कि वे ब्रह्मांड को डार्क मैटर से अत्यधिक भर देंगे, जो हमारे द्वारा देखे जाने वाले मात्रा से कहीं अधिक है। इस विशिष्ट परिदृश्य में, दोनों लक्ष्य—सही मात्रा में पदार्थ और सही मात्रा में डार्क मैटर बनाना—एक साथ प्राप्त नहीं किए जा सकते।
लेखकों ने पाया कि समाधान थोड़े भारी ब्लैक होल में निहित है। यदि आदिम ब्लैक होल का वजन लगभग दस लाख ग्राम है, तो वे ठंडे होते हैं और अपने आप भारी न्यूट्रिनो को कुशलतापूर्वक उत्सर्जित नहीं कर सकते। इसके बजाय, भारी न्यूट्रिनो प्रारंभिक ब्रह्मांड के गर्म प्लाज्मा द्वारा उत्पन्न होते हैं। ब्लैक होल फिर एक अलग भूमिका निभाते हैं: वे वाष्पित होते हैं और ब्रह्मांड में एंट्रॉपी (entropy), या अव्यवस्था का एक विशाल भंडार डालते हैं। यह प्रक्रिया पहले से मौजूद पदार्थ की विषमता को पतला (dilute) कर देती है, लेकिन इसे नष्ट नहीं करती है। महत्वपूर्ण रूप से, जब ये भारी ब्लैक होल अंततः वाष्टपित होते हैं, तो वे एक स्थिर अवशेष छोड़ जाते हैं। क्योंकि ब्लैक होल भारी हैं, उनके द्वारा छोड़े गए अवशेषों की संख्या बहुत कम है। अध्ययन गणना करता है कि लगभग दस लाख ग्राम के प्रारंभिक द्रव्यमान वाले ब्लैक होल के लिए, शेष अवशेषों की संख्या ब्रह्मांड में देखे गए डार्क मैटर की मात्रा से पूरी तरह मेल खाती है।
लगभग दस लाख ग्राम का यह एकल द्रव्यमान मान एक 'स्वीट स्पॉट' (sweet spot) के रूप में कार्य करता है। यह इतना भारी है कि अवशेष ब्रह्मांड को अत्यधिक आबादी वाला नहीं बनाते, फिर भी इतना हल्का है कि ब्लैक होल इतनी जल्दी वाष्पित हो जाते हैं कि पदार्थ विषमता को प्रकृति के स्वाभाविक तंत्रों द्वारा संसाधित होने का समय मिल सके, इससे पहले कि प्रकृति के बल जम (freeze out) जाएँ। शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि यह परिदृश्य एक विशिष्ट छाप छोड़ता है। प्रारंभिक ब्रह्मांड में इन ब्लैक होल के यादृच्छिक वितरण ने स्पेसटाइम में लहरें पैदा की होंगी, जिससे गुरुत्वाकर्षण तरंगों की एक पृष्ठभूमि गूँज (background hum) उत्पन्न हुई होगी। इन तरंगों की एक आवृत्ति होगी जिसे भविष्य के डिटेक्टर, जैसे कि आइंस्टीन टेलीस्कोप, सुनने में सक्षम हो सकते हैं। इसके अतिरिक्त, ब्लैक होल के अंतिम क्षणों के दौरान ग्रेविटॉन का सीधा उत्सर्जन ब्रह्मांड के विकिरण घनत्व में योगदान देगा, जिसे भविष्य के कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड प्रयोग उच्च सटीकता के साथ माप सकते हैं।
लेख का निष्कर्ष है कि हालांकि ब्लैक होल का उपयोग पदार्थ और डार्क मैटर दोनों पहेलियों को हल करने के लिए करने का विचार सम्मोहक है, लेकिन यह कोई सार्वभौमिक समाधान नहीं है। यह इस संभावना को खारिज करता है कि सबसे हल्के ब्लैक होल अकेले यह काम कर सकते हैं। इसके बजाय, यह ब्लैक होल के द्रव्यमान की एक विशिष्ट, संकीर्ण खिड़की की ओर संकेत करता है जहाँ ब्रह्मांड को ठीक वैसा ही ट्यून किया जा सकता था जैसा हम आज देखते हैं। यह मॉडल इस धारणा पर निर्भर करता है कि क्वांटम ग्रेविटी ब्लैक होल के वाष्पीकरण को 'प्लैंक स्केल' (Planck scale) पर रोक देती है, जिससे स्थिर अवशेष बच जाते हैं। यदि यह धारणा सही रहती है, तो डार्क मैटर का अस्तित्व और हमारे पदार्थ-युक्त ब्रह्मांड की उत्पत्ति एक ही सिक्के के दो पहलू हैं, जो आदिम ब्लैक होल की एक विशिष्ट आबादी के वाष्पीकरण से निर्मित हुए हैं। निष्कर्ष बताते हैं कि गुरुत्वाकर्षण तरंगों और कॉस्मिक बैकग्राउंड प्रयोगों की अगली पीढ़ी या तो इस सुंदर संबंध की पुष्टि करेगी या हमें ब्रह्मांड के अंधेरे पक्ष के लिए किसी अन्य स्पष्टीकरण की तलाश करने के लिए मजबूर करेगी।
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