$SU(\mathcal{N})$ baryon formation in the early Universe and dark matter

ब्रह्मांड की विशाल, अदृश्य वास्तुकला में, डार्क मैटर (dark matter) की प्रकृति के संबंध में एक निरंतर रहस्य बना हुआ है। यद्यपि हम तारों और आकाशगंगाओं को देख सकते हैं, ब्रह्मांड का अधिकांश द्रव्यमान छिपा हुआ है, जो गुरुत्वाकर्षण तो लगाता है लेकिन प्रकाश उत्सर्जित या परावर्तित करने से इनकार करता है। दशकों से, भौतिकविदों ने प्रस्तावित किया है कि यह लुप्त द्रव्यमान अनसुलझे कणों से बना हो सकता है, जिन्हें वे अक्सर सरल, एकाकी संस्थाओं के रूप में कल्पना करते हैं। हालाँकि, एक अन्य सम्मोहक विचार यह सुझाव देता है कि डार्क मैटर जटिल, मिश्रित संरचनाओं से बना हो सकता है, ठीक वैसे ही जैसे प्रोटॉन और न्यूट्रॉन हमारे अपने शरीर के परमाणुओं का निर्माण करते हैं। ये काल्पनिक कण एक नए प्रकार के बल से बने "बैरयॉन्स" (baryons) होंगे जो उन्हें एक साथ बांधते हैं, यह बिल्कुल वैसा ही है जैसे स्ट्रॉन्ग न्यूक्लियर फोर्स (strong nuclear force) क्वार्क्स को हमारे संसार में एक साथ थामे रखता है। कॉस्मोलॉजिस्ट्स (cosmologists) के लिए महत्वपूर्ण प्रश्न यह है कि ये जटिल संरचनाएं प्रारंभिक ब्रह्मांड के अराजक, उच्च-ऊर्जा वातावरण में कैसे बन सकीं, बिना उस समय नष्ट हुए जब वे आज देखे जाने वाले डार्क मैटर बन सकते थे।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस निर्माण प्रक्रिया की जांच की है जहाँ बंधन बल (binding force) में "कलर्स" (colors) की एक बड़ी संख्या शामिल है, जो एक गुण है जो विद्युत आवेश के समान है लेकिन इस नए बल के लिए विशिष्ट है। हमारी परिचित दुनिया में, वह बल जो क्वार्क्स को बांधता है वह तीन किस्मों में आता है, जिससे वे स्थिर कण बनाने के लिए तीन के समूहों में मिल सकते हैं। शोधकर्ताओं ने पता लगाया कि क्या होगा यदि यह बल बहुत अधिक किस्मों में आता—विशेष रूप से बारह, अठारह, या यहाँ तक कि इक्कीस। उन्होंने उस क्षण का अनुकरण (simulate) करने का प्रयास किया जब ब्रह्मांड इतना ठंडा हुआ कि ये बल सक्रिय होने के लिए पर्याप्त था, जिससे स्वतंत्र रूप से तैरते कणों को बंधित अवस्थाओं (bound states) में कैद किया जा सके। उनका लक्ष्य यह निर्धारित करना था कि क्या ये जटिल कण सफलतापूर्वक स्थिर, तटस्थ डार्क मैटर उम्मीदवारों के रूप में संगठित हो सकते हैं, या क्या यह प्रक्रिया शामिल बलों की प्रकृति के कारण बाधित हो जाएगी।

सिमुलेशन ने एक महत्वपूर्ण बाधा को प्रकट किया जो बल की किस्मों की संख्या बढ़ने पर उत्पन्न होती है। प्रारंभिक ब्रह्मांड में, जैसे-जैसे तापमान गिरा, स्वतंत्र कण आपस में जुड़ने लगे। शोधकर्ताओं ने पाया कि जबकि कण साधारण, दो-कण संरचनाओं जिन्हें मेसॉन (mesons) कहा जाता है, बनाने के लिए आसानी से जुड़ सकते हैं, लेकिन बड़े, बहु-कण बैरयॉन्स बनाने का मार्ग गंभीर रूप से बाधित था। यह अवरोध इसलिए होता है क्योंकि एक अकेले कण को बढ़ते हुए क्लस्टर में खींचने वाला बल, एक कण और एक एंटी-पार्टिकल को मेसॉन बनाने के लिए खींचने वाले बल की तुलना में बहुत कमजोर होता है। परिणामस्वरूप, बड़े बैरयॉन्स के निर्माण खंड तेजी से मेसॉन्स के निर्माण में उपभोग कर लिए जाते हैं। शोधकर्ता इसे एक "बॉटलनेक" (bottleneck) के रूप में वर्णित करते हैं: जटिल डार्क मैटर कणों के लिए असेंबली लाइन जाम हो जाती है क्योंकि सामग्री को बड़े निर्माण को पूरा करने से पहले ही सरल, प्रतिस्पर्धी संरचनाओं में मोड़ दिया जाता है।

यह प्रभाव तब नाटकीय रूप से मजबूत हो जाता है जब बल की किस्मों की संख्या बढ़ती है। बारह किस्मों के मामले में, शोधकर्ताओं ने गणना की कि सफलतापूर्वक बने बैरयॉन्स की संख्या एक सरल प्रणाली में अपेक्षित मात्रा के एक बहुत छोटे अंश तक सीमित है। अठारह किस्मों के लिए, यह दमन और भी चरम है, जो पैदावार को दस की घात बीस (10^23) के कारक से कम कर देता है। इसका अर्थ यह है कि इन बड़ी प्रणालियों के लिए, ब्रह्मांड में लगभग कोई स्थिर बैरयॉन नहीं बनता है। जो कुछ भी बनते हैं वे इतने दुर्लभ हैं कि, आज देखे जाने वाले कुल डार्क मैटर की गणना करने के लिए, प्रत्येक व्यक्तिगत कण को अविश्वसनीय रूप से विशाल होना होगा। वास्तव में, अध्ययन की गई किस्मों की सबसे बड़ी संख्या के लिए, आवश्यक द्रव्यमान क्वांटम यांत्रिकी द्वारा निर्धारित सैद्धांतिक सीमाओं को भी पार कर जाएगा, जो यह सुझाव देता है कि ऐसे भारी कण उस तरह से अस्तित्व में नहीं रह सकते जैसा कि मॉडल का वर्णन करता है।

अपने मॉडल को वास्तविक बनाने के लिए, शोधकर्ताओं ने यह भी सुनिश्चित किया कि कण प्रकृति के ज्ञात बलों के साथ इस तरह से परस्पर क्रिया कर सकें जिससे अस्थिर कण सुरक्षित रूप से क्षय (decay) हो सकें। उन्होंने तीन प्रकार के कणों के साथ एक परिदृश्य बनाया, जो हमारे अपने संसार के अप (up), डाउन (down) और स्ट्रेंज (strange) क्वार्क्स के समान है, जो एक तटस्थ, स्थिर बैरयॉन के अस्तित्व की अनुमति देता है जो डार्क मैटर के रूप में कार्य कर सकता है। इस सेटअप में, इन कणों के कोई भी अस्थिर या आवेशित संस्करण पहले सितारों के निर्माण से बहुत पहले हानिरहित विकिरण में क्षय हो जाएंगे, जिससे वे ब्रह्मांड के ज्ञात इतिहास में हस्तक्षेप नहीं करेंगे। अध्ययन पुष्टि करता है कि हालांकि इन मॉडलों में एक तटस्थ, स्थिर डार्क मैटर कण सैद्धांतिक रूप से संभव है, लेकिन इसे बनाने वाली प्रक्रिया इतनी अक्षम है कि इसके परिणामस्वरूप बनने वाले कण इतने भारी होंगे कि वे हमारे ब्रह्मांड को भरने वाले डार्क मैटर के व्यवहार्य उम्मीदवार नहीं हो पाएंगे।

इस कार्य के निहितार्थ गहरे हैं। यह उन सिद्धांतों के लिए संकेत देता है जो जटिल, मिश्रित डार्क मैटर पर आधारित हैं। यह सुझाव देता है कि यदि डार्क मैटर वास्तव में ऐसी संरचनाओं से बना है, तो अंतर्निहित बल में बहुत अधिक किस्में नहीं हो सकतीं, अन्यथा ब्रह्मांड उन्हें पर्याप्त मात्रा में बनाने में विफल रहेगा। किस्मों की मध्यम संख्या वाले मॉडलों के लिए, जैसे कि बारह, एक स्थिर डार्क मैटर उम्मीदवार मौजूद हो सकता है, लेकिन इसे अत्यंत भारी होना होगा, जिसका वजन एक प्रोटॉन के द्रव्यमान का लगभग एक लाख गुना होगा। यह इन सिद्धांतों को कैसे बनाया और परखा जा सकता है, इस पर सख्त प्रतिबंध लगाता है। शोधकर्ता निष्कर्ष निकालते हैं कि हालांकि मिश्रित डार्क मैटर का विचार एक आकर्षक संभावना बना हुआ है, लेकिन इसके निर्माण की विशिष्ट प्रक्रिया एक शक्तिशाली फिल्टर के रूप में कार्य करती है, जो सिद्धांत के सबसे जटिल संस्करणों को खारिज करती है और भविष्य के अन्वेषण के लिए एक बहुत संकीर्ण मार्ग की ओर इशारा करती है।