A closer look at the LZ 248 keV event through the lens of cosmic-ray boosted dark matter

पृथ्वी की सतह के बहुत नीचे, तरल ज़ेनॉन (xenon) के एक टैंक में, जिसे अंतरिक्ष से भी अधिक ठंडा रखा गया है, वैज्ञानिक ब्रह्मांड के सबसे मायावी निवासियों: डार्क मैटर (dark matter) की सबसे सूक्ष्म आहट सुनने की कोशिश कर रहे हैं। दशकों से, प्रमुख सिद्धांत यह सुझाव देता रहा है कि डार्क मैटर भारी, धीमी गति से चलने वाले कणों से बना है जो कभी-कभी परमाणु नाभिकों (atomic nuclei) से टकराते हैं, जिससे प्रकाश की एक छोटी सी चमक उत्पन्न होती है। हालाँकि, दक्षिण डकोटा में एक पूर्व स्वर्ण खदान में स्थित LUX-ZEPLIN प्रयोग ने हाल ही में एक एकल, पहेलीनुमा घटना का पता लगाया। डिटेक्टर में एक नाभिक 248 किलोइलेक्ट्रॉनवोल्ट (keV) की ऊर्जा के साथ पीछे हटा (recoiled), जो एक ऐसा मान है जो मानक डार्क मैटर मॉडलों द्वारा आमतौर पर अनुमानित मान से कहीं अधिक है। यह एकल चमक, जो एक ऐसे क्षेत्र में हुई जहाँ बैकग्राउंड शोर न्यूनतम होने की उम्मीद है, ने जांच की एक नई दिशा को जन्म दिया है। क्या यह एक अलग प्रकार के डार्क मैटर का संकेत हो सकता है, जिसे उच्च-ऊर्जा वाली कॉस्मिक किरणों (cosmic rays) से टकराकर जबरदस्त गति मिली हो?

इस संभावना को समझने के लिए, व्यक्ति को पहले डार्क मैटर के उस अदृश्य समुद्र की कल्पना करनी होगी जो हमारी आकाशगंगा को घेरे हुए है। मानक दृष्टिकोण में, ये कण सूर्य की किरणों में धूल के कणों की तरह धीरे-धीरे तैरते हैं। लेकिन ब्रह्मांड कॉस्मिक किरणों से भी भरा हुआ है, जो प्रोटॉन और अन्य परमाणु नाभिक हैं जो प्रकाश की गति के लगभग बराबर चलते हैं। यदि एक धीमी गति से चलने वाला डार्क मैटर कण संयोगवश इन तीव्र गति से चलने वाली कॉस्मिक किरणों में से एक से टकरा जाता है, तो उसे आगे की ओर धकेला जा सकता है, जिससे वह अत्यधिक गति और ऊर्जा प्राप्त कर लेता है। यह "बूस्टेड" (boosted) डार्क मैटर की एक आबादी बनाता है जो अपने सामान्य समकक्षों की तुलना में बहुत अधिक गति से चलता है। जब ये उच्च-गति वाले कण अंततः भूमिगत गहरे डिटेक्टर से टकराते हैं, तो वे एक परमाणु को उतनी अधिक ऊर्जा स्थानांतरित कर सकते हैं जितनी एक धीमी गति वाला कण कभी नहीं कर सकता, जो संभवतः LUX-ZEPLIN टीम द्वारा देखी गई असामान्य रूप से उच्च-ऊर्जा वाली चमक की व्याख्या कर सकता है।

भौतिकविदों की एक टीम ने अब इस विशिष्ट 248 keV की घटना का बारीकी से अध्ययन किया है ताकि यह देखा जा सके कि क्या यह "कॉस्मिक-रे बूस्टेड" परिदृश्य कठोर जांच के तहत खरा उतरता है। उन्होंने अपने अन्वेषण को एक विशिष्ट प्रकार की अंतःक्रिया (interaction) पर केंद्रित किया जहाँ डार्क मैटर का कण केवल इसके द्रव्यमान के बजाय, परमाणु नाभिक के स्पिन (spin) के साथ अंतःक्रिया करता है। इन उन्नत कंप्यूटर मॉडलों का उपयोग करते हुए जो इस तथ्य को ध्यान में रखते हैं कि ये बूस्टेड कण सापेक्षतावादी (relativistic) गति से चल रहे हैं, शोधकर्ताओं ने सिम्युलेट किया कि कॉस्मिक किरणों द्वारा ऐसे कण कैसे बनाए जाते हैं, वे पृथ्वी के माध्यम से कैसे यात्रा करते हैं, और वे अंततः डिटेक्टर में ज़ेनॉन परमाणुओं से कैसे टकराते हैं। उनका लक्ष्य यह निर्धारित करना था कि क्या यह तंत्र उस उच्च ऊर्जा पर ठीक एक घटना उत्पन्न कर सकता है बिना उन कम-ऊर्जा वाली घटनाओं की बाढ़ लाए जिन्हें प्रयोग को पहले ही देख लेना चाहिए था।

शोधकर्ताओं ने पाया कि स्पिन-डिपेंडेंट (spin-dependent) अंतःक्रिया ऊर्जा स्पेक्ट्रम के आकार के लिए एक आशाजनक स्पष्टीकरण प्रदान करती है। अन्य मॉडलों के विपरीत जो कम-ऊजीय प्रहारों की एक निरंतर धारा की भविष्यवाणी करते हैं, यह विशिष्ट अंतःक्रिया स्वाभाविक रूप से घटनाओं को देखे गए उच्च ऊर्जा के पास केंद्रित करती है, जिससे निचले ऊर्जा वाले क्षेत्र खाली रह जाते हैं, जैसा कि डेटा दिखाता है। हालाँकि, जब उन्होंने डार्क मैटर और नाभिक के बीच एक सरल, प्रत्यक्ष संपर्क का उपयोग करके इस घटना की व्याख्या करने की कोशिश की, तो गणित विफल हो गया। देखी गई घटना को उत्पन्न करने के लिए आवश्यक बल इतना तीव्र था कि इसने एक ऐसा ऊर्जा स्तर दर्शाया जो कण भौतिकी में उपयोग किए जाने वाले मानक गणितीय उपकरणों के मान्य रहने के लिए बहुत कम था। यह ऐसा था मानो सिद्धांत को इस तरह से अंतःक्रिया करने की आवश्यकता थी जिसे वर्तमान ढांचा बिना टूट पड़े वर्णित नहीं कर सकता।

इस विसंगति को हल करने के लिए, टीम ने प्रस्तावित किया कि यह अंतःक्रिया एक सीधा संपर्क नहीं है बल्कि इसके बजाय एक नए, भारी कण द्वारा मध्यस्थता (mediated) की जाती है जो एक संदेशवाहक के रूप में कार्य करता है। विशेष रूप से, उन्होंने पाया कि लगभग 300 MeV का एक काल्पनिक कण इस अंतर को पाट सकता है। यह संदेशवाहक कण डार्क मैटर को नाभिक को ऊर्जा स्थानांतरित करने का एक ऐसा तरीका प्रदान करेगा जो देखे गए डेटा के साथ पूरी तरह फिट बैठता है, जिससे एक एकल उच्च-ऊर्जा घटना उत्पन्न होती है और अवांछित कम-ऊर्जा संकेतों के उत्पादन से बचा जा सकता है। यह समाधान इस तथ्य पर निर्भर करता है कि डार्क मैटर एक विशिष्ट प्रकार के बल वाहक (force carrier) के माध्यम से अंतःक्रिया करता है जो अभी तक खोजा नहीं गया है, लेकिन जो अवलोकन की गणितीय आवश्यकताओं के अनुकूल है।

अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि कॉस्मिक-रे बूस्टेड डार्क मैटर जो स्पिन-डिपेंडेंट बल के माध्यम से अंतःक्रिया करता है, का विचार LUX-ZEPLIN घटना की व्याख्या करने के लिए एक मजबूत उम्मीदवार है, लेकिन इस सिद्धांत का सबसे सरल संस्करण अपर्याप्त है। डेटा एक अधिक जटिल परिदृश्य की ओर इशारा करता है जिसमें एक नया, सब-जीईवी (sub-GeV) मीडिएटर (mediator) शामिल है। शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि उनके निष्कर्ष सिमुलेशन और सैद्धांतिक मॉडलिंग पर आधारित हैं, न कि इस नए कण की प्रत्यक्ष खोज पर। उन्होंने उल्लेख किया कि भविष्य के कार्यों को यह परिष्कृत करने की आवश्यकता होगी कि ये कण पृथ्वी के माध्यम से यात्रा करते समय ऊर्जा कैसे खोते हैं और इन विचारों को अन्य प्रयोगात्मक सीमाओं के विरुद्ध परीक्षण करने की आवश्यकता होगी। यदि 248 keV की घटना भविष्य के डेटा द्वारा पुष्ट हो जाती है, तो इस विशिष्ट प्रकार का बूस्टेड डार्क मैटर, जो एक भारी कण द्वारा मध्यस्थता किया जाता है, ब्रह्मांड के अधिकांश द्रव्यमान को बनाने वाले डार्क मैटर की वास्तविक प्रकृति के बारे में एक महत्वपूर्ण सुराग प्रदान कर सकता है।