Endothermic Dark Matter at LZ from a Decaying Parent

पृथ्वी की सतह के बहुत नीचे, ब्रह्मांड के शोर से सुरक्षित, लिक्विड जेनॉन (xenon) के एक टैंक में, वैज्ञानिक एक फुसफुसाहट सुनने की कोशिश कर रहे हैं। वे डार्क मैटर (dark matter) को सुनने की कोशिश कर रहे हैं, वह अदृश्य पदार्थ जो ब्रह्माण्ड के अधिकांश द्रव्यमान का निर्माण करता है लेकिन जिस तरह से हम आसानी से देख सकते हैं, उस तरह से प्रकाश या साधारण पदार्थ के साथ किसी भी प्रकार से अंतःक्रिया करने से इनकार करता है। दशकों से, प्रमुख विचार यह रहा है कि डार्क मैटर हमारी आकाशगंगा के माध्यम से तैरते हुए कणों का एक धीमा, ठंडा बादल है। यदि ये कण ज़ेनॉन परमाणु से टकराते, तो वे बहुत कम ऊर्जा स्थानांतरित करते, जिससे परमाणु पीछे हट जाता (recoil)। हालाँकि, LUX-ZEPLIN प्रयोग के एक हालिया अवलोकन ने इस सरल चित्र में एक अड़चन डाल दी है। डिटेक्टर ने एक ऐसी घटना देखी जहाँ एक ज़ेनॉन नाभिक (nucleus) आश्चर्यजनक रूप से उच्च ऊर्जा, लगभग 248 किलोइलेक्ट्रॉनवोल्ट (keV), के साथ पीछे हटा। यह ऊर्जा एक विशिष्ट धीमी गति वाले डार्क मैटर कण द्वारा देने के लिए बहुत अधिक है, और कम ऊर्जा पर इसी तरह की अन्य घटनाओं की कमी यह सुझाव देती है कि सामान्य स्पष्टीकरण अधूरा हो सकता है। इस एकल, जिद्दी संकेत ने भौतिकविदों को एक नया प्रश्न पूछने के लिए मजबूर कर दिया है: क्या हमारे डिटेक्टरों से टकराने वाला डार्क मैटर उम्मीद से कहीं अधिक तेज़ गति से चल रहा है, या क्या यह पूरी तरह से एक अलग रूप में आ रहा है?

योनसेई विश्वविद्यालय (Yonsei University) और कोरिया इंस्टीट्यूट फॉर एडवांस्ड स्टडी (Korea Institute for Advanced Study) के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस पहेली का एक विशिष्ट उत्तर प्रस्तावित किया है। उनका सुझाव है कि डिटेक्टर से टकराने वाला डार्क मैटर वह धीमा, ठंडा पदार्थ नहीं है जैसा कि हम आमतौर पर कल्पना करते हैं, बल्कि एक भारी, लंबे समय तक जीवित रहने वाले जनक कण (parent particle) के क्षय (decay) से उत्पन्न ऊर्जावान कणों की एक धारा है। कल्पना कीजिए कि एक भारी, अस्थिर कण आकाशगंगा में अरबों वर्षों से यात्रा कर रहा है। अंततः, वह दो हल्के, तेज़ कणों में टूट जाता है। ये नए कण ही हैं जो पृथ्वी तक पहुँचते हैं। क्योंकि वे एक भारी जनक से पैदा हुए थे, इसलिए वे महत्वपूर्ण गति और ऊर्जा वहन करते हैं। जब इनमें से एक तेज़ गति वाला कण ज़ेनॉन परमाणु से टकराता है, तो यह एक विशिष्ट प्रकार की प्रतिक्रिया को सक्रिय कर सकता है जिसे एंडोथर्मिक स्कैटरिंग (endothermic scattering) कहा जाता है। इस प्रक्रिया में, शुरू होने के लिए केवल एक निश्चित न्यूनतम ऊर्जा की आवश्यकता होती है, ठीक वैसे ही जैसे एक कार को खड़ी चढ़ाई चढ़ने के लिए न्यूनतम गति की आवश्यकता होती है। यदि आने वाले कण के पास उस चढ़ाई को पार करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा है, तो परिणामी उछाल, या रिकोइल, एक बहुत ही विशिष्ट, उच्च ऊर्जा स्तर पर होता है। यह तंत्र स्वाभाविक रूप से समझाता है कि डिटेक्टर ने 248 किलोइलेक्ट्रॉनवोल्ट पर संकेत क्यों देखा और कम ऊर्जाओं पर क्यों नहीं, क्योंकि टकराव का भौतिकी उन चीजों को फ़िल्टर कर देता है जिनमें सही गति नहीं होती है।

शोधकर्ताओं ने इस विचार का परीक्षण करने के लिए एक विस्तृत मॉडल बनाया। उन्होंने काल्पनिक जनक कण और उसके बच्चों के गुणों की गणना करके शुरुआत की। उन्होंने पाया कि यदि जनक कण का द्रव्यमान लगभग 506 MeV है और वह दो हल्के कणों में क्षय होता है, जिनमें से एक लगभग 10 MeV का है, तो कणों की परिणामी धारा सटीक ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए बिल्कुल सही होगी। उनके काम का एक महत्वपूर्ण हिस्सा पृथ्वी और जनक कणों की गति को ध्यान में रखना था। ठीक वैसे ही जैसे एम्बुलेंसलेंस पास गुजरते समय सायरन की पिच बदल जाती है, वैसे ही कणों की ऊर्जा थोड़ी बदल जाती है, यह इस बात पर निर्भर करता है कि स्रोत और पर्यवेक्षक एक-दूसरे के सापेक्ष कैसे चल रहे हैं। टीम ने अपनी गणनाओं में 'डॉप्लर ब्रॉडनिंगिंग' (Doppler broadening) नामक इस प्रभाव को शामिल किया। उन्होंने पाया कि इस प्राकृतिक ऊर्जा प्रसार के बावजूद, संकेत 248 keV के आसपास तीक्ष्ण और केंद्रित रहता है, जो LUX-ZEPLIN प्रयोग द्वारा देखी गई एकल घटना से मेल खाता है।

इस परिदृश्य को डेटा के अनुरूप बनाने के लिए, शोधकर्ताओं को यह निर्धारित करना था कि भारी जनक कण कितनी बार क्षय होना चाहिए। उन्होंने पाया कि कणों की धारा को डिटेक्टर के एक्सपोज़र समय में एक घटना उत्पन्न करने के लिए पर्याप्त मजबूत बनाने के लिए, जनक कण को अविश्वसनीय रूप से लंबे समय तक जीवित रहना होगा। इसे क्षय होने से पहले लगभग 4.4 x 10^20 सेकंड तक जीवित रहना होगा। यह समय अंतराल इतना विशाल है कि इसे समझना कठिन है, जो वर्तमान ब्रह्मांड की आयु से कहीं अधिक है। यह अत्यधिक दीर्घायु बताती है कि हमें इन कणों की बाढ़ क्यों नहीं दिखती; वे दुर्लभ हैं, लेकिन आकाशगंगा में उनकी विशाल संख्या का अर्थ है कि कभी-कभार, उनमें से एक हमारे डिटेक्टर तक पहुँच जाता है। टीम ने इसके दुष्प्रभावों की भी जाँच की। यदि यह परिदृश्य सत्य है, तो उसी समय अन्य प्रकार की अंतःक्रियाएं भी होनी चाहिए, जैसे कि ऊर्जा खोए बिना ज़ेनॉन से टकराकर वापस उछलना। उनके गणनाओं ने दिखाया कि इस मॉडल के काम करने के लिए, ये अन्य अंतःक्रियाएं अत्यंत दुर्लभ होनी चाहिए, जो मुख्य संकेत की तुलना में 10,000 के कारक से अधिक दमित (suppressed) होनी चाहिए। यह भविष्य के किसी भी सिद्धांत के लिए जो इस घटना को समझाने की कोशिश कर रहा है, एक सख्त शर्त निर्धारित करता है।

अध्ययन ने यह भी देखा कि यदि इस कणों की धारा अन्य सामग्रियों से टकराती है तो वह कैसा व्यवहार करेगी। शोधकर्ताओं ने गणना की कि ये तेज़ कण डिटेक्टर के ऊपर स्थित चट्टानों और पृथ्वी की परतों से बिना रुके या महत्वपूर्ण रूप से धीमे हुए गुजर जाएंगे। वे बिना किसी बाधा के ज़ेनॉन टैंक तक पहुँच जाएंगे। इसके अलावा, उन्होंने परीक्षण किया कि यह मॉडल आर्गन या जर्मेनियम जैसी विभिन्न तत्वों का उपयोग करने वाले डिटेक्टरों के लिए कैसा दिखेगा। उन्होंने पाया कि इन अन्य सामग्रियों के लिए संकेत बहुत अलग होगा, जिसमें कुछ में लगभग कोई घटना नहीं दिखेगी जबकि अन्य में एक अलग पैटर्न दिखाई दे सकता है। यह विचार को परखने का एक तरीका प्रदान करता है: यदि भविष्य के प्रयोग विभिन्न सामग्रियों के साथ अनुमानित विशिष्ट पैटर्न दिखाते हैं, तो यह क्षय परिकल्पना (decay hypothesis) का पुरजोर समर्थन करेगा। यदि वे कुछ और देखते हैं, तो इस विचार को खारिज किया जा सकता है।

अंततः, यह शोध पत्र यह दावा नहीं करता है कि इसने डार्क मैटर की पहेली को सुलझा लिया है, एक एकल घटना का अवलोकन एक नए सिद्धांत की पुष्टि करने के लिए पर्याप्त नहीं है, और शोधकर्ता सावधानी बरतते हुए कहते हैं कि उनका कार्य संभावनाओं की एक गणना है, न कि एक नए कण की खोज। इसके बजाय, उन्होंने एक ठोस, गणितीय ब्लूप्रिंट प्रदान किया है कि कैसे एक क्षय होता डार्क मैटर जनक (parent) देखे गए LUX-ZEPLIN सिग्नल को बना सकता है। उन्होंने दिखाया है कि भौतिकी इस तरह के परिदृश्य की अनुमति देती है, बशर्ते कि जनक कण अविश्वसनीय रूप से लंबे समय तक जीवित रहे और बहुत विशिष्ट, कमजोर तरीके से साधारण पदार्थ के साथ अंतःक्रिया करे। आवश्यक द्रव्यमान, जीवनकाल और अंतःक्रिया की शक्ति सहित, इस घटना के लिए आवश्यक सटीक स्थितियों को निर्धारित करके, उन्होंने वैज्ञानिक समुदाय को एक स्पष्ट लक्ष्य दिया है। भविष्य के प्रयोग अब इन विशिष्ट हस्ताक्षरों (signatures) की तलाश कर सकते हैं, या तो इस क्षय परिदृश्य की पुष्टि कर सकते हैं या इस पर दरवाजा बंद कर सकते हैं, जिससे हमें उस अदृश्य द्रव्यमान को समझने की दिशा में एक कदम और आगे बढ़ाया जा सके जो हमारे ब्रह्मांड को थामे हुए है।