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Search for dark matter annihilation in the Sun using the full ANTARES dataset

2007 से 2022 तक के पूर्ण ANTARES डेटासेट का उपयोग करते हुए, इस अध्ययन ने सूर्य में डार्क मैटर विलोपन (dark matter annihilation) के लिए कोई महत्वपूर्ण साक्ष्य नहीं पाया, जिससे 35 GeV और 10 TeV के बीच के द्रव्यमानों के लिए WIMP-प्रोटॉन इंटरेक्शन क्रॉस-सेक्शन पर बेहतर ऊपरी सीमाएं स्थापित हुई हैं जो अन्य प्रत्यक्ष और अप्रत्यक्ष डार्क मैटर खोजों के अनुरूप हैं।

मूल लेखक: A. Albert, S. Alves, M. André, M. Ardid, S. Ardid, J. -J. Aubert, J. Aublin, B. Baret, S. Basa, Y. Becherini, B. Belhorma, F. Benfenati, V. Bertin, S. Biagi, J. Boumaaza, M. Bouta, M. C. Bouwhuis, H.

प्रकाशित 2026-09-30

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CC BY 4.0

मूल लेखक: A. Albert, S. Alves, M. André, M. Ardid, S. Ardid, J. -J. Aubert, J. Aublin, B. Baret, S. Basa, Y. Becherini, B. Belhorma, F. Benfenati, V. Bertin, S. Biagi, J. Boumaaza, M. Bouta, M. C. Bouwhuis, H. Brânzaş, R. Bruijn, J. Brunner, J. Busto, B. Caiffi, D. Calvo, S. Campion, A. Capone, L. Caramete, F. Carenini, J. Carr, V. Carretero, T. Cartraud, S. Celli, M. Chabab, T. Chiarusi, M. Circella, J. A. B. Coelho, A. Coleiro, R. Coniglione, P. Coyle, A. Creusot, A. F. Díaz, B. De Martino, C. Distefano, I. Di Palma, C. Donzaud, D. Dornic, D. Drouhin, T. Eberl, A. Eddymaoui, T. van Eeden, D. van Eijk, S. El Hedri, A. Enzenhöfer, P. Fermani, G. Ferrara, F. Filippini, L. A. Fusco, S. Gagliardini, J. García-Méndez, C. Gatius Oliver, P. Gay, N. Geißelbrecht, H. Glotin, R. Gozzini, R. Gracia Ruiz, K. Graf, C. Guidi, L. Haegel, H. van Haren, A. J. Heijboer, Y. Hello, L. Hennig, J. J. Hernández-Rey, J. Hößl, F. Huang, G. Illuminati, B. Jisse-Jung, M. de Jong, P. de Jong, M. Kadler, O. Kalekin, U. Katz, A. Kouchner, I. Kreykenbohm, V. Kulikovskiy, R. Lahmann, M. Lamoureux, A. Lazo, D. Lefèvre, E. Leonora, G. Levi, S. Le Stum, S. Loucatos, J. Manczak, M. Marcelin, A. Margiotta, A. Marinelli, P. Migliozzi, A. Moussa, R. Muller, S. Navas, E. Nezri, B. Ó Fearraigh, E. Oukacha, A. M. Păun, G. E. Păvălaş, S. Peña-Martínez, M. Perrin-Terrin, P. Piattelli, C. Poirè, T. Pradier, N. Randazzo, D. Real, G. Riccobene, A. Romanov, A. Sánchez Losa, A. Saina, F. Salesa Greus, D. F. E. Samtleben, M. Sanguineti, P. Sapienza, F. Schüssler, J. Seneca, M. Spurio, Th. Stolarczyk, M. Taiuti, Y. Tayalati, B. Vallage, G. Vannoye, V. Van Elewyck, S. Viola, D. Vivolo, J. Wilms, S. Zavatarelli, A. Zegarelli, J. D. Zornoza, J. Zúñiga

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

द दशकों से, खगोलविदों को ज्ञात है कि दृश्य तारे और आकाशगंगाएँ ब्रह्मांड का केवल एक छोटा सा हिस्सा बनाती हैं। शेष भाग एक अदृश्य पदार्थ है जिसे डार्क मैटर (dark matter) कहा जाता है, जो गुरुत्वाकर्षण तो डालता है लेकिन प्रकाश उत्सर्जित या परावर्तित नहीं करता है। हालाँकि हम इसे सीधे नहीं देख सकते, लेकिन इसकी उपस्थिति आकाशगंगाओं के घूमने के तरीके और विशाल वस्तुओं के चारों ओर प्रकाश के मुड़ने के रूप में महसूस की जाती है। एक प्रमुख सिद्धांत यह सुझाव देता है कि डार्क मैटर भारी, धीमी गति वाले कणों से बना है जो सामान्य पदार्थ के साथ शायद ही कभी परस्पर क्रिया करते हैं। यदि ये कण मौजूद हैं, तो वे कभी-कभी सूर्य जैसे विशाल पिंडों के भीतर परमाणुओं के नाभिकों (nuclei) से टकरा सकते हैं। जब ऐसा होता है, तो ये कण सूर्य के गुरुत्वाकर्षण द्वारा फंस सकते हैं, और इसके केंद्र में जाकर बैठ सकते हैं जहाँ वे आपस में टकराकर लुप्त हो सकते हैं, जिससे अन्य कणों के रूप में ऊर्जा मुक्त होती है, जिनमें न्यूट्रिनो (neutrinos) भी शामिल हैं। ये रहस्यमयी कण अंतरिक्ष में लगभग प्रकाश की गति से यात्रा करते हैं, ग्रहों और तारों से बिना रुके गुजर जाते हैं, और सूर्य के केंद्र से पृथ्वी तक एक संदेश लेकर आते हैं।

एन्टेरेस (ANTARES) न्यूट्रिनो टेलीस्कोप के साथ काम करने वाले वैज्ञानिकों के एक दल ने, जो भूमध्य सागर की गहराइयों में स्थित है, इस संदेश को सुनने का प्रयास किया। यह टेलीस्कोप, जो 2007 से 2022 तक संचालित हुआ था, अंधेरे पानी में लटके हुए प्रकाश सेंसरों के एक विशाल त्रि-आयामी सरणी (array) से बना था। इसका कार्य पानी में एक उच्च-ऊर्जा वाले न्यूट्रिनो के किसी परमाणु से टकराने पर उत्पन्न होने वाली नीली रोशनी की मंद चमक को पकड़ना था, जिससे एक आवेशित कण (charged particle) बनता है जो पानी में प्रकाश की गति से भी तेज़ चलता है। पंद्रह वर्षों में एकत्र किए गए पूरे डेटासेट का विश्लेषण करके, शोधकर्ताओं ने विशेष रूप से सूर्य की दिशा से आने वाले इन न्यूट्रिनो की अधिकता की तलाश की। वे एक ऐसे संकेत की खोज कर रहे थे जो यह सिद्ध कर सके कि डार्क मैटर के कण वास्तव में हमारे तारे के केंद्र में पकड़े जा रहे हैं और नष्ट हो रहे हैं।

इस विश्लेषण में 35 GeV/c² से लेकर 10 TeV/c² तक डार्क मैटर के संभावित द्रव्यमानों की एक विस्तृत श्रृंखला को शामिल किया गया, और इन कणों के नष्ट होने के कई अलग-अलग तरीकों पर विचार किया गया। टीम ने परिष्कृत कंप्यूटर मॉडल का उपयोग किया ताकि यह अनुमान लगाया जा सके कि संकेत कैसा दिखना चाहिए और इसकी तुलना ब्रह्मांडीय किरणों के पृथ्वी के वायुमंडल से टकराने से उत्पन्न होने वाले न्यूट्रिनो के बैकग्राउंड शोर (background noise) से की गई। डेटा को सावधानीपूर्वक फ़िल्टर करने और यह सुनिश्चित करने के लिए सख्त चयन मानदंडों को लागू करने के बाद कि पता लगाए गए कण वास्तव में सूर्य से आ रहे हैं, परिणाम स्पष्ट था: न्यूट्रिनो की कोई महत्वपूर्ण अधिकता नहीं पाई गई। देखे गए घटनाओं की संख्या बिल्कुल वही थी जो केवल प्राकृतिक बैकग्राउंड स्रोतों से अपेक्षित थी।

चूंकि कोई संकेत नहीं मिला, इसलिए शोधकर्ता सूर्य में डार्क मैटर कणों के अस्तित्व की पुष्टि नहीं कर सके, लेकिन उन्होंने विज्ञान के लिए समान रूप से महत्वपूर्ण उपलब्धि हासिल की: उन्होंने इस बात पर नए, अधिक सख्त प्रतिबंध (limits) लगाए कि ये कण कैसे व्यवहार कर सकते हैं। कुछ संभावनाओं को खारिज करके, उन्होंने भविष्य के प्रयोगों के लिए खोज क्षेत्र को सीमित कर दिया। अध्ययन ने निर्धारित किया कि यदि ये डार्क मैटर कण वास्तव में मौजूद हैं, तो वे सूर्य में प्रोटॉन के साथ पहले की तुलना में बहुत कम बार परस्पर क्रिया करते हैं। ये नई सीमाएं पिछले अध्ययनों में उसी टीम द्वारा प्राप्त सीमाओं की तुलना में दो से तीन गुना अधिक संवेदनशील हैं, जिसका श्रेय डेटा की बहुत बड़ी मात्रा और निम्न-ऊर्जा वाले कणों के पथ के पुनर्निर्माण के बेहतर तरीकों को जाता है। ये निष्कर्ष अन्य प्रयोगों के परिणामों के अनुरूप हैं जो डार्क मैटर की तलाश कर रहे हैं, चाहे वे भूमिगत प्रयोगशालाओं में सीधे टकराव की खोज कर रहे हों या अंतरिक्ष में अप्रत्यक्ष संकेतों की खोज कर रहे हों। यद्यपि सूर्य इस विशिष्ट प्रश्न पर मौन है, लेकिन संकेत का अभाव भौतिकविदों को अपने सिद्धांतों को परिष्कृत करने में मदद करता है और अगली पीढ़ी के डिटेक्टरों का मार्गदर्शन करता है जो उस अदृश्य पदार्थ की खोज में लगे हैं जो ब्रह्मांड को थामे हुए है।

तकनीकी सारांश: पूर्ण ANTARES डेटासेट का उपयोग करके सूर्य में डार्क मैटर विलोपन (Annihilation) की खोज

समस्या विवरण
कमजोर रूप से परस्पर क्रिया करने वाले कण (WIMPs) डार्क मैटर के प्रमुख उम्मीदवारों में से एक बने हुए हैं। उन परिदृश्यों में जहाँ WIMPs को विशाल खगोलीय पिंडों द्वारा गुरुत्वाकर्षण से पकड़ा जाता है, वे उनके केंद्र में संचित हो सकते हैं और मानक मॉडल के कणों में विलियन (annihilate) हो सकते हैं, जिससे उच्च-ऊर्जा वाले न्यूट्रिनो उत्पन्न होते हैं। सूर्य, जो गैलेक्टिक डार्क मैटर हेलो के माध्यम से गति कर रहा है, इन कणों के लिए एक संभावित ट्रैप के रूप में कार्य करता है। इस संकेत का पता लगाने में प्राथमिक चुनौती वायुमंडलीय म्यूऑन और वायुमंडलीय न्यूट्रिनो के प्रमुख बैकग्राउंड से संभावित न्यूट्रिनो अधिशेष (excess) को अलग करना है। ANTARES सहयोग द्वारा की गई पिछली खोजों ने सीमित डेटासेट का उपयोग किया था; यह कार्य ANTARES न्यूट्रिनो टेलीस्कोप के पूर्ण परिचालन डेटासेट का विश्लेषण करके संवेदनशीलता को अधिकतम करने का लक्ष्य रखता है।

कार्यप्रणाली
यह विश्लेषण फरवरी 2007 से फरवरी 2022 तक भूमध्य सागर में रिकॉर्ड किए गए ANTARES न्यूट्रिनो टेलीस्कोप के पूर्ण डेटासेट का उपयोग करता है, जो 12.47 वर्षों (4,551 दिन) के प्रभावी लाइवटाइम के अनुरूप है।

डिटेक्टर और इवेंट रिकंस्ट्रक्शन: ANTARES न्यूट्रिनो अंतःक्रियाओं से उत्पन्न होने वाले द्वितीयक आवेशित कणों से चेरेनकोव प्रकाश (Cherenkov light) का पता लगाता है। विभिन्न ऊर्जा श्रेणियों में संवेदनशीलता को अनुकूलित करने के लिए, तीन अलग-अलग रिकंस्ट्रक्शन रणनीतियों का उपयोग किया गया:
1. विधि 1: एकल रेखा पर हिट्स वाले इवेंट्स के लिए डीप लर्निंग मॉडल, जो कम-ऊर्जा वाले न्यूट्रिनो (<100 GeV) को लक्षित करते हैं।
2. विधि 2: मध्यवर्ती ऊर्जाओं के लिए एक $\chi^2$ -जैसा फिट, जो अपेक्षित और मापे गए फोटॉन आगमन समय के बीच के अवशेषों (residuals) का उपयोग करता है।
3. विधि 3: उच्च ऊर्जाओं (>500 GeV) के लिए एक मैक्सिमम लाइकलीहुड विधि, जो बेहतर कोणीय रिज़ॉल्यूशन प्रदान करती है।
  प्रत्येक WIMP द्रव्यमान और विलोपन चैनल के लिए, सर्वोत्तम संवेदनशीलता प्रदान करने वाली रणनीति का चयन किया गया।
सिग्नल और बैकग्राउंड मॉडलिंग: विश्लेषण वायुमंडलीय म्यूऑन को खारिज करने के लिए अप-गोइंग म्यूऑन ट्रैक्स पर केंद्रित है। बैकग्राउंड का अनुमान घटनाओं की समय जानकारी को 'स्क्रैम्बल' करके लगाया जाता है, जो सूर्य की गति का लाभ उठाकर एक स्थिर स्रोत सिग्नल को समदैशिक (isotropic) वायुमंडलीय न्यूट्रिनो बैकग्राउंड से अलग करता है। सिग्नल परिकल्पना सूर्य के केंद्र में WIMP विलोपन को मानती है, जिसका अनुकरण WimpSim सॉफ्टवेयर का उपयोग करके किया गया है। तीन बेंचमार्क विलोपन चैनलों पर विचार किया गया है जिनमें 100% ब्रांचिंग अनुपात है: $b\bar{b}$ , $\tau^+\tau^-$ , और $W^+W^-$ ।
सांख्यिकीय दृष्टिकोण: एक विस्तारित मैक्सिमम-लाइकलीहुड दृष्टिकोण का उपयोग किया गया, जिसमें सिग्नल घटनाओं ( $n_s$ ) की संख्या को एक मुक्त पैरामीटर के रूप में माना गया। टेस्ट स्टैटिस्टिक (TS) को सर्वोत्तम-फिट सिग्नल+बैकग्राउंड परिकल्पना और बैकग्राउंड-ओनली परिकल्पना के बीच लाइकलीहुड अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया। सभी चयन कट्स और अनुकूलन प्रक्रियाओं को सिमुलेशन और स्क्रैम्बल किए गए डेटा का उपयोग करके अंतिम रूप देने तक विश्लेषण को 'ब्लाइंडेड' रखा गया।

प्रमुख योगदान

डेटासेट विस्तार: यह कार्य पिछले ANTARES डार्क मैटर खोजों की तुलना में विश्लेषण किए गए डेटा की मात्रा को तीन गुना बढ़ाता है, जो डिटेक्टर के पूर्ण परिचालन इतिहास को कवर करता है।
अनुकूलित रिकंस्ट्रक्शन: बहु-रणनीति रिकंस्ट्रक्शन दृष्टिकोण (डीप लर्निंग, $\chi^2$ , और मैक्सिमम लाइकलीहुड) का कार्यान्वयन एक विस्तृत द्रव्यमान रेंज (35 GeV/ $c^2$ से 10 TeV/ $c^2$ ) में अनुकूलित संवेदनशीलता की अनुमति देता है।
व्यापक सीमाएँ: यह अध्ययन निर्दिष्ट द्रव्यमान सीमा के भीतर स्पिन-डिपेंडेंट (SD) और स्पिन-इंडिपेंडेंट (SI) अंतःक्रियाओं के लिए WIMP-प्रोटॉन इंटरैक्शन क्रॉस-सेक्शन पर ऊपरी सीमाएँ (upper limits) प्राप्त करता है।

परिणाम

सिग्नल अवलोकन: सूर्य की दिशा से न्यूट्रिनो का कोई महत्वपूर्ण अधिशेष नहीं देखा गया। परीक्षण किए गए सभी द्रव्यमानों और चैनलों के लिए फिट की गई सिग्नल घटनाओं ( $\hat{n}_s$ ) की संख्या सांख्यिकीय अनिश्चितताओं के भीतर बैकग्राउंड अपेक्षाओं के अनुकूल थी (p-मान 0.08 से 0.24 के बीच थे)।
फ्लक्स और क्रॉस-सेक्शन सीमाएँ: न्यूट्रिनो फ्लक्स और WIMP-न्यूक्लियॉन स्कैटरिंग क्रॉस-सेक्शन के लिए 90% कॉन्फिडेंस लेवल (CL) पर ऊपरी सीमाएँ स्थापित की गईं।
- स्पिन-डिपेंडेंट अंतःक्रियाओं के लिए, प्राप्त सीमाएँ प्रत्यक्ष पहचान प्रयोगों (जैसे PICO-60, LZ) के प्रतिस्पर्धी हैं और 100 GeV/ $c^2$ से ऊपर के द्रव्यमान क्षेत्र में उनसे अधिक सख्त हैं।
- स्पिन-इंडिपेंडेंट अंतःक्रियाओं के लिए, प्रत्यक्ष पहचान प्रयोग (जैसे XENONnT) वर्तमान में अधिक सख्त सीमाएँ प्रदान करते हैं, हालांकि ANTARES के परिणाम पूरक बाधाएं प्रदान करते हैं।
अन्य प्रयोगों के साथ तुलना: परिणाम अन्य न्यूट्रिनो टेलीस्कोप (IceCube, Super-Kamiokande) और प्रत्यक्ष पहचान प्रयोगों की सीमाओं के साथ सुसंगत हैं। पेपर नोट करता है कि ANTARES और IceCube के बीच सीमाओं में अंतर आंशिक रूप से न्यूट्रिनो स्पेक्ट्रा के लिए अलग-अलग सिमुलेशन टूल्स (WimpSim बनाम $\chi$ aron) के उपयोग के कारण हो सकता है।

महत्व और दावे
पेपर का दावा है कि ये परिणाम पिछले ANTARES प्रकाशनों की तुलना में दो से तीन गुना सुधार करते हैं, जिसका मुख्य कारण बढ़ा हुआ लाइवटाइम और कम-ऊर्जा वाले इवेंट्स के लिए बेहतर रिकंस्ट्रक्शन तकनीकें हैं। अध्ययन एक बड़े द्रव्यमान रेंज में डार्क मैटर विलोपन क्रॉस-सेक्शन पर मजबूत ऊपरी सीमा प्रदान करता है। यद्यपि कोई खोज नहीं की गई, फिर भी परिणाम सैद्धांतिक डार्क मैटर मॉडलों, विशेष रूप से स्पिन-डिपेंडेंट अंतःक्रियाओं की भविष्यवाणी करने वाले मॉडलों को सीमित करने का कार्य करते हैं, और डार्क मैटर की खोज में अप्रत्यक्ष पहचान (न्यूट्रिनो टेलीस्कोप) और प्रत्यक्ष पहचान प्रयोगों की पूरक प्रकृति को प्रदर्शित करते हैं। निष्कर्ष क्षेत्र के अन्य प्रमुख प्रयोगों द्वारा रिपोर्ट किए गए शून्य परिणामों (null results) के सुसंगत हैं।

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