Charged scalar portal dark matter with $U(1)_Y$ non-restoration and gravitational waves

ब्रह्मांड एक रहस्यमय पदार्थ से भरा हुआ है जो न तो चमकता है, न ही प्रकाश को परावर्तित करता है, और न ही उस साधारण पदार्थ के साथ अंतःक्रिया करता है जिससे तारे, ग्रह और मनुष्य बने हैं। खगोलशास्त्री इसे डार्क मैटर (dark matter) कहते हैं, और वे जानते हैं कि इसका अस्तित्व है क्योंकि इसका गुरुत्वाकर्षण आकाशगंगाओं को एक साथ थामे रखता है। दशकों की खोज के बावजूद, अभी तक कोई यह पहचान नहीं पाया है कि यह पदार्थ किस चीज से बना है। सबसे लोकप्रिय विचारों में से एक यह सुझाव देता है कि डार्क मैटर 'वीकली इंटरैक्टिंग मैसिव पार्टिकल्स' (WIMPs) से बना है। ये काल्पनिक कण हैं जो कभी-कभार सामान्य परमाणुओं से टकराते हैं, जिससे एक सूक्ष्म संकेत उत्पन्न होता जिसे पृथ्वी पर स्थित संवेदनशील डिटेक्टर पकड़ सकते हैं। हालांकि, इस विचार का सबसे सरल संस्करण, जिसमें केवल हिग्स फील्ड (Higgs field) के माध्यम से अंतःक्रिया करने वाला एक अदृश्य कण शामिल है, हाल के प्रयोगों द्वारा काफी हद तक खारिज कर दिया गया है। ये डिटेक्टर इतने सटीक हो गए हैं कि उन्होंने इन कणों का कोई संकेत नहीं पाया, जिससे इस बात की समझ में एक बड़ा अंतराल पैदा हो गया है कि डार्क मैटर कहाँ छिप सकता है।

भारतीय प्रौद्योगिकी संस्थान गुवाहाटी के भौतिकविदों की एक टीम ने इस कहानी में एक नया, थोड़ा अधिक जटिल पात्र जोड़कर इस अंतराल को भरने का एक तरीका प्रस्तावित किया है। उनका सुझाव है कि डार्क मैटर केवल एक अकेला कण नहीं है, बल्कि इसके साथ एक आवेशित साथी (charged partner) भी है। उनके मॉडल में, डार्क मैटर का कण एक न्यूट्रल स्केलर (neutral scalar) है, जो बिना किसी विद्युत आवेश वाले मौलिक कण का एक प्रकार है। इसे काम करने के योग्य बनाने के लिए, वे एक दूसरा कण पेश करते हैं जो समान है लेकिन एक विद्युत आवेश वहन करता है। यह आवेशित साथी एक सेतु (bridge) के रूप में कार्य करता है, जिससे डार्क मैटर उन नए तरीकों से ब्रह्मांड के बाकी हिस्सों के साथ अंतःक्रिया कर पाता है जो उन सरल मॉडलों को चुप कराने वाली चेतावनियों को सक्रिय नहीं करते। इस आवेशित साथी को शामिल करके, शोधकर्ता दिखाते हैं कि डार्क मैटर उस द्रव्यमान सीमा में मौजूद रह सकता है जिसे पहले असंभव माना जाता था, जिससे प्रभावी रूप से उस सिद्धांत के एक क्षेत्र को पुनर्जीवित किया जा सका जिसे प्रयोगों ने मृत घोषित कर दिया था।

शोधकर्ताओं ने एक गणितीय मॉडल बनाया ताकि यह परीक्षण किया जा सके कि ये दो कण प्रारंभिक ब्रह्मांड में कैसे व्यवहार करेंगे और आज डिटेक्टरों के साथ कैसे अंतःक्रिया करेंगे। उन्होंने पाया कि आवेशित साथी डार्क मैटर कणों को प्रारंभिक ब्रह्मांड में आपस में नष्ट करने (annihilate) या मिटाने में अधिक कुशलता से सक्षम बनाता है, जो आज हमें दिखने वाले डार्क मैटर की सही मात्रा छोड़ने के लिए आवश्यक है। महत्वपूर्ण रूप से, यह प्रक्रिया बिना डार्क मैटर को सामान्य पदार्थ के साथ इतनी मजबूती से जोड़े बिना होती है जिसे वर्तमान डिटेक्टरों ने पहले ही देख लिया होता। हालांकि डार्क मैटर और प्रोटॉन या न्यूट्रॉन के बीच प्रत्यक्ष अंतःक्रिया बहुत कमजोर है, आवेशित साथी की उपस्थिति एक सूक्ष्म, एक-चरणीय अप्रत्यक्ष अंतःक्रिया उत्पन्न करती है। यह अप्रत्यक्ष संकेत इतना मजबूत है कि भविष्य के प्रयोगों, जैसे कि आगामी DARWIN डिटेक्टर द्वारा पकड़ा जा सकने की संभावना है, लेकिन इतना कमजोर है कि वह LUX-ZEPLIN जैसे वर्तमान उपकरणों की नजर से बच गया।

डार्क मैटर के छिपने के पहेली को सुलझाने के अलावा, यह मॉडल स्वयं ब्रह्मांड के इतिहास के बारे में एक नाटकीय कहानी पेश करता है। बिग बैंग के ठीक बाद के शुरुआती क्षणों में, ब्रह्मांड अविश्वसनीय रूप से गर्म था। मानक भौतिकी में, जैसे-जैसे ब्रह्मांड ठंडा होता है, उच्च तापमान पर टूटी हुई समरूपताएं (symmetries) आमतौर पर बहाल हो जाती हैं। हालांकि, शोधकर्ताओं ने पाया कि उनके मॉडल में, आवेशित कण अलग तरह से व्यवहार करता है। उच्च तापमान पर, यह आवेशित कण हाइपरचार्ज (hypercharge) नामक ब्रह्मानंद की एक मौलिक समरूपता को तोड़ देता है। जैसे-जैसे ब्रह्मांड ठंडा होता है, यह अवस्था केवल फीकी नहीं पड़ती; इसके बजाय, ब्रह्मांड आज की स्थिर अवस्था तक पहुँचने के लिए पानी के बर्फ में जमने की तरह एक हिंसक, अचानक बदलाव से गुजरता है। इस बदलाव को 'फर्स्ट-ऑर्डर फेज ट्रांजिशन' (first-order phase transition) कहा जाता है।

ऐसा हिंसक संक्रमण स्पेस-टाइम के ताने-बाने में लहरें पैदा करेगा, जिससे गुरुत्वाकर्षण तरंगों (gravitational waves) की एक पृष्ठभूमि उत्पन्न होगी। ये अंतरिक्ष के माध्यम से यात्रा करने वाली मंद कंपन हैं, जो हमारे द्वारा देखे जाने वाले प्रकाश से भिन्न हैं। शोधकर्ताओं ने गणना की कि उनके मॉडल में इस संक्रमण की शक्ति ऐसी आवृत्ति और तीव्रता वाली गुरुत्वाकर्षण तरंगें उत्पन्न करेगी जिन्हें भविष्य के अंतरिक्ष-आधारित वेधशालाएं पहचान सकती हैं। विशेष रूप से, उन्होंने पहचाना कि LISA, BBO और DECIGO जैसे डिटेक्टर, जो इन ब्रह्मांडीय लहरों को सुनने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं, इस घटना के संकेत को संभावित रूप से सुन सकते हैं। इसका अर्थ है कि इस विशिष्ट प्रकार के डार्क मैटर के अस्तित्व की पुष्टि केवल प्रयोगशाला में कणों की खोज करके ही नहीं, बल्कि ब्रह्मांड के जन्म की गूँज को सुनकर भी की जा सकती है।

अध्ययन यह भी रेखांकित करता है कि इस परिदृश्य को सफल बनाने के लिए एक नाजुक संतुलन की आवश्यकता है। कणों के गुणों को इस तरह से ट्यून (tune) किया जाना चाहिए ताकि डार्क मैटर का घनत्व प्रेक्षणों से मेल खाए, प्रत्यक्ष पहचान की सीमाओं का सम्मान किया जाए, और फेज ट्रांजिशन इतना मजबूत हो कि पता लगाने योग्य गुरुत्वाकर्षण तरंगें उत्पन्न कर सके। शोधकर्ताओं ने कणों के द्रव्यमान और उनकी अंतःक्रिया की ताकत के विशिष्ट मानों की पहचान की जो इन सभी शर्तों को पूरा करते हैं। इन परिदृश्यों में, डार्क मैटर कण का द्रव्यमान लगभग 100 से 300 गीगाइलेक्ट्रॉनवोल्ट (GeV) के बीच होता है, जबकि इसका आवेशित साथी थोड़ा हल्का, लगभग 100 से 115 गीगाइलेक्ट्रॉनवोल्ट होता है। ये विशिष्ट द्रव्यमान इन कणों को दशकों पहले संचालित होने वाले लार्ज इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर (Large Electron-Positron collider) की पहुंच से परे, लेकिन भविष्य के प्रयोगों की पहुंच के भीतर रखते हैं।

इस खोज के सबसे आकर्षक पहलुओं में से एक कणों की सूक्ष्म दुनिया और ब्रह्मांड के स्थूल (macroscopic) इतिहास के बीच का संबंध है। वही आवेशित कण जो यह समझाने में मदद करता है कि डार्क मैटर सही मात्रा में क्यों मौजूद है, वह उस हिंसक फेज ट्रांजिशन को भी संचालित करता है जिसने ब्रह्मांड के विकास को आकार दिया होगा। यदि ब्रह्मांड इस संक्रमण से गुजरा था, तो इसने गुरुत्वाकर्षण तरंगों की एक स्टोकेस्टिक पृष्ठभूमि (stochastic background) उत्पन्न की होगी, जो ऊर्जा की एक निरंतर गूँज है जो अंतरिक्ष में व्याप्त है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि उनके मॉडल के अनुमत पैरामीटर स्पेस के एक बड़े हिस्से के लिए, यह संकेत इतना मजबूत होगा कि आगामी मिशनों द्वारा इसे देखा जा सके। यह डार्क मैटर के सिद्धांत को परीक्षण करने के लिए दो पूरी तरह से अलग तरीकों का उपयोग करके एक दुर्लभ अवसर प्रदान करता है: भूमिगत प्रयोगशालाओं में कणों की खोज करना और अंतरिक्ष में गुरुत्वाकर्षण तरंगों को सुनना।

यह शोध इस मॉडल की सीमाओं पर भी चर्चा करता है। पता लगाने योग्य गुरुत्वाकर्षण तरंगों को उत्पन्न करने के लिए आवश्यक अंतःक्रियाएं काफी बड़ी हैं, जो गणितीय रूप से स्थिर माने जाने वाले मापदंडों की सीमाओं को छूती हैं। यह सुझाव देता है कि हालांकि मॉडल वर्तमान में जांचे जा रहे ऊर्जा स्तरों पर अच्छी तरह से काम करता है, लेकिन इसे सुसंगत रहने के लिए और भी उच्च ऊर्जाओं पर नई भौतिकी की आवश्यकता हो सकती है। शोधकर्ता नोट करते हैं कि उनका मॉडल एक 'मिनिमल एक्सटेंशन' (minimal extension) है, जिसका अर्थ है कि उन्होंने समस्या को हल करने के लिए न्यूनतम संभव नए तत्व जोड़े हैं। वे स्वीकार करते हैं कि यदि आवेशित कण लेप्टान (leptons), जैसे कि इलेक्ट्रॉन या न्यूट्रिनो के साथ भी अंतःक्रिया करता है, तो यह न्यूट्रिनो द्रव्यमान के सृजन या ब्रह्मांड में पदार्थ-प्रतिपदार्थ विषमता (matter-antimatter asymmetry) के निर्माण सहित और भी अधिक संभावनाएं खोल सकता है। हालांकि, इन अतिरिक्त विशेषताओं को भविष्य के अध्ययन के लिए छोड़ दिया गया है।

अंततः, यह कार्य डार्क मैटर को समझने के लिए एक सुसंगत और परीक्षण योग्य मार्ग प्रदान करता है। यह एक ऐसे मॉडल को नया जीवन देता है जो त्याग दिए जाने की कगार पर था, इसमें एक आवेशित साथी को शामिल करके। यह जुड़ाव न केवल सिद्धांत को प्रयोगात्मक बाधाओं से बचाता है, बल्कि इसे ब्रह्मांड के इतिहास की एक नाटकीय घटना से भी जोड़ता है जो ब्रह्मांड के स्वरूप को आकार दे सकती है। इनके अनुमान ठोस हैं: डार्क मैटर भविष्य के प्रत्यक्ष-पहचान प्रयोगों द्वारा पता लगाने योग्य होना चाहिए, और प्रारंभिक ब्रह्मांड के फेज ट्रांजिशन से उत्पन्न होने वाली गुरुत्वाकर्षण तरंगें अगली पीढ़ी की वेधशालाओं की पहुंच के भीतर होनी चाहिए। यदि ये संकेत मिलते हैं, तो वे डार्क मैटर की प्रकृति के लिए एक एकीकृत स्पष्टीकरण प्रदान करेंगे और ब्रह्मांड के हिंसक जन्म की एक झलक देंगे। यदि वे नहीं मिलते हैं, तो इस मॉडल को खारिज किया जा सकता है, जिससे उस अदृश्य द्रव्यमान की पहचान को और संकुचित किया जा सके जो हमारे ब्रह्मांड को थामे हुए है।