Disappearing Tracks from Electroweak Vector Dark Matter at the LHC
यह शोध पत्र पूर्ण रन-2 डेटा का उपयोग करते हुए, LHC पर एक स्पिन-1 इलेक्ट्रोवीक वेक्टर डार्क मैटर उम्मीदवार के गायब होते ट्रैक (disappearing-track) सिग्नेचर का विश्लेषण करता है, जिससे क्विंटुप्लेट द्रव्यमान को 1080 GeV तक वर्जित किया गया है और भविष्य की संवेदनशीलता को हाई-ल्यूमिनोसिटी LHC के साथ 1750 GeV तक पहुँचते हुए अनुमानित किया गया है।
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ब्रह्मांड उस पदार्थ से भरा हुआ है जिसे हम देख नहीं सकते। खगोलविदों ने आकाशगंगाओं और कॉस्मिक वेब पर इसके गुरुत्वाकर्षण खिंचाव को मापा है, जिससे यह पुष्टि होती है कि यह अदृश्य पदार्थ, जिसे डार्क मैटर (dark matter) के रूप में जाना जाता है, ब्रह्मांड के अधिकांश द्रव्यमान का निर्माण करता है। फिर भी, दशकों की खोज के बावजूद, कोई भी डार्क मैटर के एक भी कण का प्रत्यक्ष पता नहीं लगा सका है। प्रमुख सिद्धांत यह सुझाव देता है कि ये कण "वीकली इंटरैक्टिंग मैसिव पार्टिकल्स" (WIMPs) हैं। ये भारी, अदृश्य इकाइयाँ हैं जो सामान्य पदार्थ से बहुत कम टकराती हैं, जिससे उन्हें पकड़ना अविश्वसनीय रूप से कठिन हो जाता है। उन्हें खोजने के लिए, भौतिक विज्ञानी जमीन के नीचे गहरे स्थित विशाल डिटेक्टर बनाते हैं या स्विट्जरलैंड में लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (LHC) जैसे शक्तिशाली कण कोलाइडर का उपयोग करते हैं। विचार यह है कि प्रोटॉन को लगभग प्रकाश की गति से आपस में टकराया जाए, इस उम्मीद में कि एक डार्क मैटर कण बनेगा जो टक्कर से बच निकलेगा, जिससे ऊर्जा की कमी या डिटेक्टर में एक अजीब, लंबे समय तक रहने वाले निशान (signature) के रूप में संकेत छोड़ेगा।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में अपना ध्यान एक विशिष्ट, मायावी उम्मीदवार की ओर केंद्रित किया है: एक भारी, अदृश्य कण जो एक आवेशित साथी (charged partner) के साथ आता है। इस परिदृश्य में, डार्क मैटर कण कणों के एक बड़े परिवार का हिस्सा है जो कमजोर परमाणु बल (weak nuclear force) के माध्यम से परस्पर क्रिया करते हैं। जबकि मुख्य डार्क मैटर सदस्य तटस्थ और अदृश्य है, इस परिवार में एक आवेशित संस्करण भी शामिल है। इन दोनों के बीच द्रव्यमान के सूक्ष्म अंतर के कारण, आवेशित साथी अस्थिर होता है और अंततः अदृश्य डार्क मैटर कण में बदल जाता है। हालांकि, यह क्षय (decay) तुरंत नहीं होता है। आवेशित कण डिटेक्टर के भीतर एक मापने योग्य दूरी तय करता है और फिर गायब हो जाता है। यह एक अनूठा संकेत बनाता है: ट्रैकिंग सिस्टम में एक छोटी, सीधी रेखा जो अचानक रुक जाती है, मानो कण हवा में गायब हो गया हो। यह "डिसेपरिंग ट्रैक" (disappearing track) वह विशिष्ट संकेत है जिसे शोधकर्ताओं ने खोजने का प्रयास किया।
वैज्ञानिकों ने एक सैद्धांतिक मॉडल पर ध्यान केंद्रित किया जहाँ डार्क मैटर का उम्मीदवार एक स्पिन-1 (spin-1) कण है, जिसका अर्थ है कि इसमें एक विशिष्ट प्रकार का आंतरिक कोणीय संवेग है, और यह पांच-सदस्यीय परिवार में मौजूद है। इस मॉडल में, परिवार का आवेशित सदस्य तटस्थ डार्क मैटर सदस्य की तुलना में थोड़ा भारी होता है। द्रव्यमान का यह छोटा अंतर अत्यंत महत्वपूर्ण है। यह आवेशित कण को तटस्थ कण और एक बहुत हल्के, 'सॉफ्ट पायोन' (pion) में टूटने के लिए मजबूर करता है। चूंकि उत्सर्जित ऊर्जा बहुत कम है, इसलिए पायोन मशीन की बाहरी परतों तक पहुँचने के लिए बहुत धीमा होता है। हालांकि, आवेशित कण डिटेक्टर की आंतरिक परतों में एक स्पष्ट निशान छोड़ने के लिए पर्याप्त दूरी तय करता है। परिणाम स्वरूप एक ऐसा ट्रैक मिलता है जो डिटेक्टर के केंद्र से शुरू होता है और अचानक समाप्त हो जाता है, जिसमें बाहरी परतों में कोई संगत हिट नहीं दिखता।
इस विचार का परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ताओं ने LHC में ATLAS प्रयोग के डेटा का विश्लेषण किया, जिसमें मशीन के दूसरे रन के दौरान एकत्र किया गया पूरा डेटासेट (जो 137 इनवर्स फेमटोबार्न के टकरावों के बराबर है) शामिल था। उन्होंने नया डेटा नहीं खोजा बल्कि मौजूदा खोज परिणामों का पुन: परीक्षण किया। ATLAS सहयोग ने पहले सूपरसिमेट्री (supersymmetry) के सिद्धांतों द्वारा अनुमानित लॉन्ग-लिव्ड पार्टिकल्स को खोजने के लिए 'डिसेपरिंग ट्रैक्स' की तलाश की थी, जो भौतिकी का एक अलग सिद्धांत है। नई टीम ने इस खोज को विशेष रूप से स्पिन-1 डार्क मैटर उम्मीदवार को खोजने के लिए अनुकूलित किया। उन्होंने एक कंप्यूटर सिमुलेशन बनाया कि ये कण कैसे व्यवहार करेंगे, वे टकरावों में कैसे उत्पन्न होंगे, और वे डिटेक्टर के माध्यम से कैसे गति करेंगे। उन्होंने यह गणना की कि एक विशिष्ट जीवनकाल वाला कण कितनी संभावना के साथ एक ऐसा ट्रैक छोड़ता है जिसे डिटेक्टर देख सके, इस तथ्य को ध्यान में रखते हुए कि कण को आंतरिक ट्रैकर तक पहुँचने के लिए पर्याप्त दूरी तय करनी चाहिए लेकिन इतना दूर नहीं जाना चाहिए कि वह अगले स्तर तक पहुँच जाए।
विश्लेषण से पता चला कि LHC के वर्तमान डेटा ने पहले से ही इस प्रकार के डार्क मैटर की संभावनाओं की एक महत्वपूर्ण सीमा को खारिज कर दिया है। यदि आवेशित कण का जीवनकाल ऐसा है कि वह क्षय होने से पहले लगभग 250 मिलीमीटर की दूरी तय करता है, तो प्रयोग ने 1080 गीगाइलेक्ट्रॉन वोल्ट (GeV) तक के द्रव्यमान वाले इन कणों के अस्तित्व को खारिज कर दिया है। यह एक भारी द्रव्यमान है, जो प्रोटॉन के द्रव्यमान से लगभग 1000 गुना अधिक है। कम जीवनकाल वाले कणों के लिए, यह सीमा गिरकर 450 गीगाइलेक्ट्रॉन वोल्ट हो जाती है, और लंबे जीवनकाल वाले कणों के लिए, यह सीमा लगभग 855 गीगाइलेक्ट्रॉन वोल्ट पर उच्च बनी रहती है। शोधकर्ताओं ने कण के द्रव्यमान और क्षय को संचालित करने वाले सूक्ष्म द्रव्यमान अंतर के बीच संबंध की भी जांच की। उन्होंने पाया कि 166 मेगाइलेक्ट्रॉन वोल्ट के विशिष्ट द्रव्यमान अंतर के लिए, 630 गीगागाइलेक्ट्रॉन वोल्ट से कम द्रव्यमान वाले कण वर्जित हैं। यदि द्रव्यमान अंतर 200 मेगाइलेक्ट्रॉन वोल्ट है, तो सीमा 395 गीगाइलेक्ट्रॉन वोल्ट है।
शायद सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि टीम ने अपने निष्कर्षों की जांच उनके विशिष्ट सैद्धांतिक मॉडल के साथ की। मॉडल भविष्यवाणी करता है कि आवेशित और तटस्थ कणों के बीच द्रव्यमान का अंतर क्वांटम प्रभावों द्वारा उत्पन्न होता है और इस बात पर निर्भर करता है कि कण हिग्स फील्ड (Higgs field) के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। एक विशिष्ट, छोटे इंटरेक्शन स्ट्रेंथ (interaction strength) के लिए, मॉडल भविष्यवाणी करता है कि 120 और 300 गीगाइलेक्ट्रॉन वोल्ट के बीच के द्रव्यमान वाले कण मौजूद होने चाहिए। हालांकि, प्रयोगात्मक डेटा दिखाता है कि इस संपूर्ण द्रव्यमान सीमा में, अनुमानित द्रव्यमान अंतर के साथ, ये कण मौजूद नहीं हैं। यह मॉडल इस द्रव्यमान सीमा के लिए प्रभावी रूप से खारिज हो जाता है। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि यदि इंटरेक्शन स्ट्रेंथ अधिक होती, तो अनुमानित द्रव्यमान अंतर बड़ा होता, जिससे कण इस विशिष्ट खोज द्वारा देखे जाने से पहले ही बहुत जल्दी क्षय हो जाते, जिससे सिद्धांत का वह हिस्सा अनियंत्रित रह जाता।
भविष्य की ओर देखते हुए, शोधकर्ताओं ने गणना की कि क्या होगा यदि LHC तीन गुना अधिक डेटा एकत्र करता है, जो भविष्य में अपेक्षित एक परिदृश्य है। इस बड़े डेटासेट के साथ, खोज बहुत भारी कणों के प्रति संवेदनशील हो जाएगी। यदि रैंडम डिटेक्टर त्रुटियों से उत्पन्न बैकग्राउंड नॉइज़ (background noise) को शून्य रखा जा सकता है, तो प्रयोग संभावित रूप से 1750 गीगाइलेक्ट्रॉन वोल्ट तक के भारी कणों को खोज सकता है या उन्हें खारिज कर सकता है। यहाँ तक कि बैकग्राउंड नॉइज़ के अधिक यथार्थवादी अनुमान के साथ भी, इसकी पहुंच 1530 गीगाइलेक्ट्रॉन वोल्ट तक बढ़ जाएगी। यह द्रव्यमान की एक विशाल सीमा को कवर करेगा जो वर्तमान में अज्ञात है। यह अध्ययन दर्शाता है कि 'डिसेपरिंग ट्रैक' सिग्नेचर इन भारी, अदृश्य कणों को खोजने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है। हालांकि इस विशिष्ट डार्क मैटर मॉडल को निचले द्रव्यमान सीमा में खारिज कर दिया गया है, लेकिन यह पद्धति ब्रह्मांड के अज्ञात कोनों की खोज करने के लिए एक महत्वपूर्ण रणनीति बनी हुई है। खोज जारी है, और LHC उप-परमाणु दुनिया में पहले से कहीं अधिक गहराई से झांकने के लिए तैयार है।
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