Solar capture and annihilation of fermionic and scalar dark matter motivated by the LUX-ZEPLIN high-recoil candidate

डार्क मैटर (अंधेरे पदार्थ) की खोज आधुनिक भौतिकी के सबसे गहन अन्वेषणों में से एक है, जो इस प्रमाण से प्रेरित है कि ब्रह्मांड में दृश्यमान पदार्थ की तुलना में कहीं अधिक द्रव्यमान मौजूद है। खगोलविदों ने लंबे समय से देखा है कि आकाशगंगाओं में तारे इतनी तेजी से चलते हैं कि वे केवल दृश्यमान पदार्थ के गुरुत्वाकर्षण से एक साथ बंधे नहीं रह सकते, और दूर स्थित वस्तुओं से आने वाला प्रकाश उन तरीकों से मुड़ता है जिसके लिए अदृश्य द्रव्यमान की आवश्यकता होती है। यह अदृश्य पदार्थ, जिसे डार्क मैटर के रूप में जाना जाता है, ब्रह्मांड के कुल द्रव्यमान का लगभग पचासी प्रतिशत हिस्सा होने का अनुमान है, फिर भी यह प्रकाश उत्सर्जित, अवशोषित या परावर्तित नहीं करता है, जिससे इसे पारंपरिक दूरबीनों से पहचानना असंभव हो जाता है। इसके बजाय, वैज्ञानिक अप्रत्यक्ष विधियों पर भरोसा करते हैं, जैसे कि डार्क मैटर द्वारा दृश्यमान वस्तुओं पर डाले जाने वाले सूक्ष्म गुरुत्वाकर्षण खिंचाव को देखना या जमीन के नीचे स्थित डिटेक्टरों में डार्क मैटर कणों और परमाणुओं के बीच होने वाली दुर्लभ टक्करों की तलाश करना।

सबसे आशाजनक रणनीतियों में से एक इन टक्करों को लिक्विड जेनन (तरल जेनन) के विशाल टैंकों में देखना शामिल है, जहाँ जेनन के नाभिक से टकराने वाला एक डार्क मैटर कण प्रकाश की एक छोटी सी चमक और एक छोटा विद्युत संकेत उत्पन्न करेगा। हाल ही में, एक अग्रणी डिटेक्टर, LUX-ZEPLIN प्रयोग ने एक संभावित घटना की सूचना दी जो डार्क मैटर के टकराव हो सकती है। एक विशिष्ट ऊर्जा स्तर पर होने वाली यह एकल घटना तीव्र रुचि पैदा करती है क्योंकि यह सुझाव देती है कि डार्क मैटर सामान्य पदार्थ के साथ इस तरह से अंतःक्रिया कर सकता है जिसके लिए टकराव को ट्रिगर करने हेतु डार्क कण को थोड़ी ऊर्जा प्राप्त करने की आवश्यकता होती है। 'एंडोथर्मिक स्कैटरिंग' (ऊष्माशोषी प्रकीर्णन) के रूप में जानी जाने वाली यह परिदृश्य बताती है कि डार्क मैटर कण दो रूपों में आते हैं: एक हल्का, स्थिर संस्करण और एक थोड़ा भारी, उत्तेजित संस्करण। सिग्नल बनाने के लिए, एक डार्क मैटर कण को अपने हल्के अवस्था से भारी अवस्था में जाने के लिए टकराव से ऊर्जा अवशोषित करनी पड़ती है। हालांकि, यह एकल घटना हमें यह नहीं बताती कि डार्क मैटर कण वास्तव में क्या है। यह एक प्रकार का फर्मियन (fermion) हो सकता है, जो कणों का एक वर्ग है जिसमें इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन शामिल हैं, या यह एक स्केलर (scalar) हो सकता है, जो एक अलग प्रकार का कण है जो एक ठोस वस्तु के बजाय एक क्षेत्र (field) की तरह व्यवहार करता है। इन दोनों संभावनाओं के बीच अंतर करना ब्रह्मांड की मौलिक प्रकृति को समझने के लिए महत्वपूर्ण है, लेकिन पृथ्वी पर, जेनन डिटेक्टर में उनके द्वारा उत्पन्न संकेत लगभग एक समान होते हैं।

इस पहेली को सुलझाने के लिए, शोधकर्ताओं ने अपना ध्यान सूर्य की ओर लगाया। उन्होंने एक सरल लेकिन गहन प्रश्न पूछा: यदि दो अलग-अलग प्रकार के डार्क मैटर पृथ्वी पर जेनन डिटेक्टर में बिल्कुल एक जैसा संकेत उत्पन्न करते हैं, तो क्या सूर्य उन्हें अलग कर सकता है? सूर्य एक विशाल गुरुत्वाकर्षण जाल के रूप में कार्य करता है, जो आकाशगंगा से डार्क मैटर कणों को अपनी ओर खींचता है। जब ये कण सूर्य के भीतर परमाणुओं के नाभिकों से टकराते हैं, तो वे इतनी गति खो सकते हैं कि सौर कोर के चारों ओर कक्षा में फंस जाएं। एक बार फंस जाने के बाद, वे टकराना जारी रखते हैं, और प्रत्येक टक्कर के साथ और अधिक ऊर्जा खोते हैं, जब तक कि वे केंद्र में एक घने, गर्म बादल के रूप में स्थिर न हो जाएं। अंततः, ये कण आपस में मिलते हैं और एक-दूसरे को नष्ट (annihilate) कर देते हैं, जिससे उच्च ऊर्जा वाले न्यूट्रिनो निकलते हैं जिन्हें पृथ्वी पर दूरबीनों द्वारा पहचाना जा सकता है। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि हालांकि इन कणों के प्रारंभिक कैप्चर (पकड़ने की प्रक्रिया) का स्वरूप दोनों फर्मियन और स्केलर के लिए एक जैसा हो सकता है, लेकिन सूर्य के भीतर आगे क्या होता है, वह बहुत भिन्न हो सकता है।

टीम ने दो विशिष्ट डार्क मैटर मॉडलों की तुलना करने के लिए एक विस्तृत सिमुलेशन बनाया: एक स्प्लिट फर्मियोनिक डबलट (split fermionic doublet) और एक इनर्ट स्केलर डबलट (inert scalar doublet)। उन्होंने इन दोनों मॉडलों के गुणों को इतनी सावधानी से ट्यून किया कि वे LUX-ZEPLIN डिटेक्टर में टक्करों की ठीक उतनी ही संख्या उत्पन्न करें, जिससे वे स्थलीय प्रयोग में अविभेद्य बन जाएं। फिर उन्होंने इन कणों की यात्रा को ट्रैक किया जब वे सूर्य में गिरे। मुख्य अंतर इस बात में था कि कण के अपनी ग्राउंड स्टेट (मूल अवस्था) में वापस गिरने से पहले उसकी उत्तेजित अवस्था कितनी देर तक टिकी रहती है। फर्मियोनिक मॉडल के लिए, उत्तेजित अवस्था अत्यंत अल्पकालिक होती है और लगभग तुरंत ही क्षय (decay) हो जाती है। स्केलर मॉडल के लिए, उत्तेजित अवस्था बहुत अधिक लंबी होती है और कई दिनों तक जीवित रहती है। समय का यह अंतर सूर्य के भीतर होने वाली पूरी कहानी को बदल देता है।

फर्मियोनिक परिदृश्य में, कण इतनी जल्दी क्षय हो जाता है कि वह अनिवार्य रूप से एक ही प्रकार के कण की तरह व्यवहार करता है जिसने पहले ही अपनी अतिरिक्त ऊर्जा खो दी है। यह कुशलतापूर्वक ठंडा होता है और सौर कोर में स्थिर हो जाता है, जहाँ यह अपने साथी के साथ विलोपन (annihilation) करता है। स्केलर परिदृश्य में, कण अपनी उत्तेजित अवस्था में काफी लंबे समय तक बना रहता है। इस विस्तारित अवधि के दौरान, इसकी अन्य परमाणुओं से टकराने और गति प्राप्त करने की संभावना अधिक होती है, जिससे वह सूर्य के गुरुत्वाकर्षण से बचने और कोर में बसने से पहले ही बाहर निकल सकता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि समय के इस सूक्ष्म अंतर से अंतिम परिणाम में मापने योग्य अंतर आता है। जबकि दोनों मॉडल सफलतापूर्वक डार्क मैटर को पकड़ते हैं और एक ऐसी स्थिति में पहुँचते हैं जहाँ कैप्चर और विलोपन संतुलित रहता है, स्केलर मॉडल कोर में थोड़े कम कणों को बनाए रखता है। विशेष रूप से, स्केलर डार्क मैटर के विलोपन की दर फर्मियोनिक डार्क मैटर की तुलना में लगभग पांच से आठ प्रतिशत कम है, भले ही उनकी कैप्चर दर समान थी।

यह परिणाम महत्वपूर्ण है क्योंकि यह दिखाता है कि सूर्य एक फिल्टर के रूप में कार्य कर सकता है, जो उन अंतरों को प्रकट करता है जो स्थलीय डिटेक्टरों में छिपे होते हैं। शोधकर्ताओं को इनमें से किसी भी मॉडल को पूरी तरह से खारिज करने का तरीका नहीं मिला, न ही उन्होंने यह सिद्ध किया कि इनमें से कौन सा सही उत्तर है। इसके बजाय, उन्होंने प्रदर्शित किया कि दो मॉडल, जो एक जेनन टैंक में एक जैसे हैं, सूर्य के भीतर अलग-अलग विकास पथों का अनुसरण करते हैं। स्केलर कण, अपने लंबे समय तक रहने वाले उत्तेजित अवस्था के कारण, सूर्य से बाहर निकलने के प्रति थोड़े अधिक संवेदनशील होते हैं, जिससे कुल विलोपन घटनाओं में मामूली कमी आती है। यह अंतर छोटा है, लेकिन यह हमारी आकाशगंगा में डार्क मैटर के घनत्व और सूर्य की आंतरिक संरचना के बारे में धारणाओं की एक विस्तृत श्रृंखला में सुसंगत है।

अध्ययन ने इन विलोपन प्रक्रियाओं द्वारा उत्पन्न संकेतों की प्रकृति की भी जांच की। जब डार्क मैटर कण विलोपित होते हैं, तो वे अक्सर W या Z बोसोन के जोड़े उत्पन्न करते हैं, जो भारी कण हैं और कमजोर परमाणु बल (weak nuclear force) को ले जाते हैं। ये बोसोन फिर अन्य कणों, जिनमें न्यूट्रिनो भी शामिल हैं, में क्षय होते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि फर्मियोनिक और स्केलर मॉडल इन बोसोन को अलग-अलग विशेषताओं के साथ उत्पन्न करते हैं, जैसे कि अलग-अलग ध्रुवीकरण अवस्थाएं (polarization states), जिसके परिणामस्वरूप परिणामी न्यूट्रिनो का थोड़ा अलग ऊर्जा स्पेक्ट्रम होगा। जब उन्होंने अपने अनुमानित न्यूट्रिनो संकेतों की तुलना मौजूदा आइसक्यूब न्यूट्रिनो ऑब्जर्वेटरी (IceCube Neutrino Observatory) के डेटा से की, तो उन्होंने पाया कि दोनों मॉडलों के लिए अनुमानित संकेत एक विशिष्ट प्रकार के डार्क मैटर के लिए आइसक्यूब द्वारा निर्धारित वर्तमान सीमाओं से अधिक मजबूत थे। हालांकि, यह तुलना स्रोत स्तर पर की गई थी, जिसका अर्थ है कि इसमें सूर्य के माध्यम से यात्रा करने वाले न्यूट्रिनों की जटिलताओं या डिटेक्टर की प्रतिक्रिया को शामिल नहीं किया गया था। इसलिए, यह निष्कर्ष अभी किसी भी मॉडल को निश्चित रूप से बाहर करने वाला नहीं है, लेकिन यह रेखांकित करता है कि दोनों मॉडल विशिष्ट न्यूट्रिनो हस्ताक्षर उत्पन्न करेंगे जिन्हें भविष्य के अधिक विस्तृत विश्लेषण संभावित रूप से अलग कर सकते हैं।

अंततः, यह कार्य डार्क मैटर की प्रकृति की जांच करने के लिए एक नया उपकरण प्रदान करता है। यह दिखाता है कि भले ही दो सिद्धांत एक प्रत्यक्ष पहचान प्रयोग में एक ही संकेत की भविष्यवाणी करते हों, लेकिन सूर्य का खगोलीय वातावरण उनके अंतर्निहित अंतरों को उजागर कर सकता है। शोधकर्ताओं ने यह नहीं खोजा कि डार्क मैटर क्या है, बल्कि उन्होंने यह दिखाया कि कैसे सूर्य हमें दो बहुत समान उम्मीदवारों के बीच अंतर बताने में मदद कर सकता है। भूमिगत डिटेक्टरों के डेटा को तारकीय विकास के भौतिकी के साथ जोड़कर, वैज्ञानिक डार्क मैटर के संभावित विशाल परिदृश्य को सीमित करना शुरू कर सकते हैं। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि सूर्य केवल डार्क मैटर की खोज में एक निष्क्रिय पर्यवेक्षक नहीं है, बल्कि एक सक्रिय प्रयोगशाला है जहाँ कण भौतिकी की सूक्ष्म गतिशीलता एक बड़े पैमाने पर घटित होती है, जो एक पूरक दृष्टिकोण प्रदान करती है जिसे केवल स्थलीय प्रयोग प्रदान नहीं कर सकते।