A relook at a low reheating temperature: Freeze-in versus Freeze-out

डार्क मैटर वह अदृश्य ढांचा है जो ब्रह्मांड को थामे रखता है, जो कुल पदार्थ का लगभग पचासी प्रतिशत बनाता है, फिर भी इसकी वास्तविक प्रकृति विज्ञान की सबसे बड़ी रहस्यों में से एक बनी हुई है। हम जानते हैं कि यह मौजूद है क्योंकि इसका गुरुत्वाकर्षण तारों और आकाशगंगाओं पर प्रभाव डालता है, लेकिन हमने कभी इसके किसी कण को सीधे तौर पर नहीं देखा है, और न ही हम जानते हैं कि यह कैसे अस्तित्व में आया। दशकों से, भौतिकविदों ने यह माना है कि बिग बैंग के शुरुआती क्षणों में, ब्रह्मांड कणों के एक उबलते, अत्यधिक गर्म सूप की तरह था। इस मानक दृष्टिकोण में, डार्क मैटर के कण या तो बने और फिर ब्रह्मांड के ठंडा होने पर उनकी परस्पर क्रिया रुक गई, या वे उस गर्म सूप से धीरे-धीरे अस्तित्व में आए। दोनों परिदृश्य इस बात पर निर्भर करते हैं कि ब्रह्मांड शुरुआत से ही अविश्वसनीय रूप से गर्म था, जिसे एक उच्च 'रीहीटिंग तापमान' (reheating temperature) के रूप में जाना जाता है, जो बाद के संपूर्ण ब्रह्मांडीय इतिहास के लिए मंच तैयार करता है।

दिल्ली विश्वविद्यालय और भारतीय प्रौद्योगिकी संस्थान कानपुर के शोधकर्ताओं द्वारा किया गया एक नया अध्ययन इस विचार को चुनौती देता है कि आज हम जितना डार्क मैटर देखते हैं, उसे समझाने के लिए प्रारंभिक ऊष्मा का अत्यधिक होना आवश्यक है। उन्होंने एक सरल लेकिन गहन प्रश्न पूछा: क्या होगा यदि ब्रह्मांड कभी इतना गर्म ही नहीं हुआ? विशेष रूप से, उन्होंने इस परिदृश्य की जांच की जहाँ कणों का तापीय स्नान (thermal bath), जो ब्रह्मांड को भरता है, अपेक्षाकृत कम तापमान पर अस्तित्व में आना शुरू होता है, जो आमतौर पर माने जाने वाले ट्रिलियन डिग्री तापमान से बहुत ठंडा है। यह देखने के लिए कि कम ठंडी स्थितियों में डार्क मैटर कैसे व्यवहार करेगा, विस्तृत सिमुलेशन चलाकर, उन्होंने पाया कि एक कम शुरुआती तापमान केवल आंकड़ों में बदलाव नहीं करता है; यह डार्क मैटर बनाने वाली प्रक्रियाओं को मौलिक रूप से बाधित कर सकता है। उनका काम सुझाव देता है कि यदि ब्रह्मांड बहुत ठंडा रहा होता, तो आज हम जो डार्क मैटर देखते हैं, उसकी सही मात्रा उत्पन्न करने का कोई तरीका नहीं होता, चाहे कण आपस में कैसे भी क्रिया करें, जो प्रभावी रूप से यह निर्धारित करता है कि प्रारंभिक ब्रह्मांड कितना ठंडा हो सकता था, इसकी एक कठोर निचली सीमा है।

इस खोज के महत्व को समझने के लिए, व्यक्ति को पहले यह समझना होगा कि वैज्ञानिक डार्क मैटर के निर्माण के दो मुख्य तरीकों के बारे में कैसे सोचते हैं। पहला तरीका, जिसे 'फ्रीज़-आउट' (freeze-out) कहा जाता है, कल्पना करता है कि डार्क मैटर के कण एक भीड़ भरे कमरे में पड़ोसियों की तरह हैं जो लगातार एक-दूसरे से टकरा रहे हैं। जब कमरा गर्म और भीड़भाड़ वाला होता है, तो वे बार-बार टकराते हैं। जैसे-जैसे कमरा ठंडा होता है और भीड़ कम होती है, वे टकराना बंद कर देते हैं और अपनी जगह पर स्थिर हो जाते हैं, जिससे जीवित बचे लोगों की एक विशिष्ट संख्या बच जाती है। दूसरा तरीका, 'फ्रीज़-इन' (freeze-in), एक धीमी रिसाव की तरह है। यहाँ, डार्क मैटर के कण इतने शर्मीले होते हैं कि वे सामान्य पदार्थ के गर्म सूप के साथ बहुत कम क्रिया करते हैं। वे बहुत धीरे-धीरे समय के साथ अस्तित्व में आते हैं, और तब तक अस्तित्व में आते रहते हैं जब तक कि ब्रह्मांड इतना ठंडा नहीं हो जाता कि उत्पादन रुक जाए। दोनों विधियाँ ब्रह्मांड के तापमान पर बहुत अधिक निर्भर करती हैं, लेकिन वे तापमान में गिरावट के प्रति बहुत अलग तरह से प्रतिक्रिया करती हैं।

शोधकर्ताओं ने इन विचारों का परीक्षण करने के लिए एक सरल मॉडल बनाया, जिसमें एक स्थिर डार्क मैटर कण और एक भारी 'कैरियर कण' (carrier particle) का उपयोग किया गया जो डार्क दुनिया और दृश्य दुनिया के बीच एक सेतु के रूप में कार्य करता है। उन्होंने यह माना कि ब्रह्मांड धीरे-धीरे गर्म होने के बजाय एक विशिष्ट तापमान पर तुरंत निर्मित हुआ था, और फिर उन्होंने उस शुरुआती तापमान को कम करते हुए डार्क मैटर की प्रचुरता में परिवर्तन को देखा। उन्होंने पाया कि फ्रीज़-इन विधि के लिए, तापमान उत्पादन पर एक छत (ceiling) की तरह कार्य करता है। यदि ब्रह्मांड उच्च तापमान पर शुरू होता है, तो गर्म सूप के पास भारी कैरियर कण के क्षय सहित विभिन्न माध्यमों से डार्क मैटर बनाने के लिए पर्याप्त ऊर्जा होती है। हालाँकि, जैसे-जैसे शुरुआती तापमान कम होता है, कण बनाने के लिए उपलब्ध ऊर्जा घटती जाती है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि यह केवल डार्क मैटर की मात्रा को थोड़ा कम नहीं करता है; यह सबसे कुशल उत्पादन माध्यमों को पूरी तरह से काट सकता है। उदाहरण के लिए, यदि शुरुआती तापमान कैरियर कण के द्रव्यमान से नीचे गिर जाता है, तो उस कण को स्वयं बनाया नहीं जा सकता, जिससे ब्रह्मांड को बहुत कम कुशल तरीकों पर निर्भर होना पड़ता है जो आज हम जो देखते हैं उसके अनुरूप डार्क मैटर का पर्याप्त उत्पादन करने के लिए संघर्ष करते हैं।

फ्रीज़-आउट विधि के लिए स्थिति और भी अधिक प्रतिबंधात्मक है। इस परिदृश्य में, डार्क मैटर कणों को फ्रीज़ आउट होने से पहले आपस में बार-बार बातचीत करने के लिए पर्याप्त गर्म और सघन होने की आवश्यकता होती है। यदि ब्रह्मांड बहुत कम तापमान पर शुरू होता है, तो कणों को कभी भी उस संतुलन की स्थिति तक पहुँचने का मौका नहीं मिलता जहाँ वे ठीक से परस्पर क्रिया कर सकें। वे बस कभी भी आवश्यक साम्यावस्था (equilibrium) प्राप्त नहीं कर पाते, और वह प्रक्रिया जो आमतौर पर डार्क मैटर की सही मात्रा छोड़ती है, वह कभी शुरू ही नहीं हो पाती। अध्ययन प्रदर्शित करता है कि कणों के गुणों के एक निश्चित सेट के लिए, एक न्यूनतम तापमान होता जिसके नीचे ब्रह्मांड आज जो डार्क मैटर देखते हैं, उसे उत्पन्न नहीं कर सकता, चाहे वैज्ञानिक कणों के बीच की अंतःक्रिया की शक्ति को कैसे भी समायोजित करें। यह केवल सही संख्या प्राप्त करने के लिए डायल घुमाने की बात नहीं है; एक निश्चित सीमा के नीचे, समाधान अस्तित्व में ही नहीं रहता।

यह खोज उस लोकप्रिय गलत धारणा को उलट देती है कि रीहीटिंग तापमान को कम करना एक लचीला उपकरण है जिसका उपयोग डार्क मैटर मॉडलों की समस्याओं को ठीक करने के लिए किया जा सकता है। हालांकि यह सच है कि कम तापमान डार्क मैटर के उत्पादन को दबा सकता है, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि इस दमन (suppression) की एक कठोर सीमा है। उन्होंने पाया कि डार्क मैटर मॉडल के किसी भी विशिष्ट प्रकार के लिए, एक महत्वपूर्ण तापमान होता है, जो कणों के द्रव्यमान द्वारा निर्धारित होता है, जिसके नीचे अवशेष प्रचुरता (relic abundance) नगण्य स्तरों तक गिर जाती है। यदि ब्रह्मांड इससे भी ठंडा शुरू हुआ होता, तो आज हम जो डार्क मैटर देखते हैं वह उस मात्रा में मौजूद नहीं होता जिसे हम मापते हैं। इसका अर्थ है कि सही मात्रा में डार्क मैटर होने की आवश्यकता वास्तव में प्रारंभिक ब्रह्मांड के तापमान पर एक सख्त निचली सीमा लगाती है।

अध्ययन ने इन दोनों निर्माण विधियों के बीच के संक्रमण का भी पता लगाया। उच्च तापमान पर, एक मॉडल अक्सर एक कमजोर रूप से परस्पर क्रिया करने वाले फ्रीज़-इन परिदृश्य और एक मजबूती से परस्पर क्रिया करने वाले फ्रीज़-आउट परिदृश्य दोनों का समर्थन कर सकता है, जो इस बात पर निर्भर करता है कि कणों को कैसे ट्यून किया गया है। हालाँकि, जैसे-जैसे शुरुआती तापमान कम होता है, कमजोर रूप से परस्पर क्रिया करने वाला मार्ग कम कुशल हो जाता है, जिसे क्षतिपूर्ति के लिए मजबूत अंतःक्रियाओं की आवश्यकता होती है। अंततः, तापमान इतना कम हो जाता है कि सबसे मजबूत संभव अंतःक्रियाएं भी फ्रीज़-इन के माध्यम से पर्याप्त डार्क मैटर उत्पन्न नहीं कर पाती हैं, जबकि फ्रीज़-आउट की स्थितियाँ कभी पूरी नहीं होतीं क्योंकि ब्रह्मांड बहुत ठंडा होता है। दो पथ, जो उच्च तापमान पर अलग-अलग थे, एक महत्वपूर्ण तापमान के नीचे पूरी तरह से विलीन हो जाते हैं और गायब हो जाते हैं। यह अभिसरण एक मौलिक बाधा को प्रकट करता: ब्रह्मांड के तापमान का इतिहास केवल कण भौतिकी की पृष्ठभूमि नहीं है; यह एक द्वारपाल है जो यह निर्धारित करता है कि कौन से कण मॉडल संभव हैं।

इन सीमाओं का मानचित्रण करके, शोधकर्ताओं ने प्रारंभिक ब्रह्मांड को देखने का एक नया तरीका प्रदान किया है। रीहीटिंग तापमान को एक मनमाना नंबर मानने के बजाय जिसे किसी सिद्धांत को फिट करने के लिए समायोजित किया जा सकता है, वे दिखाते हैं कि डार्क मैटर का अस्तित्व स्वयं प्रारंभिक ब्रह्मांड के लिए एक थर्मामीटर के रूप में कार्य करता है। यदि हम भविष्य में डार्क मैटर कणों के विशिष्ट गुणों, जैसे कि उनका द्रव्यमान और वे कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, को पहचान सकते हैं, तो हम इस अध्ययन के निष्कर्षों का उपयोग उस न्यूनतम तापमान की गणना करने के लिए कर सकते हैं जिस पर ब्रह्मांड को स्थापित किया गया था। यह डार्क मैटर की खोज को ब्रह्मांड के तापीय इतिहास के एक प्रोब (probe) में बदल देता है, जिससे भौतिकविद् अरबों साल पहले की स्थितियों का अनुमान लगाने के लिए उन कणों का उपयोग कर सकते हैं जिन्हें हम आज खोजने की आशा करते हैं। यह कार्य सुझाव देता है कि ब्रह्मांड को इतना गर्म होना चाहिए था कि डार्क मैटर बनने की अनुमति मिल सके, और यदि यह इससे भी ठंडा होता, तो ब्रह्मांड उस ब्रह्मांड जैसा नहीं दिखता जिसमें हम निवास करते हैं।