Displaced tracks as a signal of dark matter co-annihilation: a case study using inert doublet model at $e^+e^-$ collider

ब्रह्मांड डार्क मैटर नामक एक रहस्यमय पदार्थ से भरा हुआ है। हम इसे देख नहीं सकते, छू नहीं सकते या इसकी गंध नहीं ले सकते, फिर भी हम जानते हैं कि यह वहाँ है क्योंकि इसका गुरुत्वाकर्षण आकाशगंगाओं को एक साथ थामे रखता है और प्रकाश के पथ को मोड़ देता है। यह अस्तित्व की हर चीज़ का लगभग एक चौथाई हिस्सा बनाता है, लेकिन दशकों की खोज के बावजूद, किसी भी प्रयोग ने कभी इसके एक भी कण को पकड़ा नहीं है। वैज्ञानिकों ने इसे खोजने के लिए जमीन के नीचे गहराई में परमाणुओं से टकराने की आवाज़ सुनने या अंतरिक्ष में अन्य डार्क मैटर कणों से टकराने पर होने वाली रोशनी की चमक देखने की कोशिश की है। अब तक, ये प्रयास खाली रहे हैं। इस सन्नाटे ने शोधकर्ताओं को एक अलग संभावना पर विचार करने के लिए प्रेरित किया है: शायद डार्क मैटर एक एकल, अकेला कण नहीं है, बल्कि एक छिपे हुए परिवार का हिस्सा है। इस परिदृश्य में, डार्क मैटर के भारी, आवेशित (charged) संबंधी हो सकते हैं जो लगभग एक ही वजन के हैं लेकिन थोड़े अलग हैं। यदि ये संबंधी मौजूद हैं, तो वे यह समझाने में मदद कर सकते हैं कि आज हमें कितना डार्क मैटर दिखाई देता है, लेकिन वे एक बहुत ही विशिष्ट, अजीब संकेत भी छोड़ेंगे यदि हम उन्हें किसी मशीन में पकड़ सकें।

भौतिकविदों की एक टीम ने हाल ही में एक भविष्य के प्रकार के पार्टिकल कोलाइडर का उपयोग करके इन छिपे हुए संबंधीों को खोजने के तरीके का पता लगाया है। उन्होंने 'इन्र्ट डबलट मॉडल' (Inert Doublet Model) नामक एक विशिष्ट सिद्धांत पर ध्यान केंद्रित किया, जो बताता है कि डार्क मैटर एक तटस्थ (neutral) कण है जो वजन में लगभग अपने आवेशित साथी के समान है। चूंकि उनका वजन बहुत करीब है, इसलिए आवेशित साथी आसानी से डार्क मैटर कण में नहीं टूट सकता। इसके बजाय, वह अंततः टूटने से पहले आश्चर्यजनक रूप से लंबे समय तक जीवित रहता है। जब वह टूटता है, तो वह डार्क मैटर कण और मलबे के एक बहुत छोटे, धीमी गति से चलने वाले टुकड़े को छोड़ देता है। एक सामान्य कण डिटेक्टर में, यह एक ऐसे आवेशित कण की तरह दिखेगा जो थोड़ी दूरी तय करता है, अचानक रुक जाता है, और गायब हो जाता है, जिससे एक धुंधला, कोमल निशान (track) पीछे रह जाता है जो अचानक समाप्त हो जाता है। इसे "डिसेपियरिंग ट्रैक" (disappearing track) या लुप्त होता हुआ पथ कहा जाता है। शोधकर्ताओं ने सिम्युलेट किया कि भविष्य के इलेक्ट्रॉन-पॉजिट्रॉन कोलाइडर में यह कैसा दिखेगा, जो एक ऐसी मशीन है जो अत्यधिक उच्च ऊर्जा पर इलेक्ट्रॉनों और उनके प्रति-पदार्थ (antimatter) के समकक्षों को आपस में टकराती है। उन्होंने पाया कि यदि ये छिपे हुए कण मौजूद हैं, तो यह विशिष्ट प्रकार की मशीन उन्हें खोजने के लिए सबसे उपयुक्त स्थान होगी, जो वर्तमान प्रयोगों की तुलना में बहुत स्पष्ट दृश्य प्रदान करेगी।

टीम ने अपने मॉडल के नियमों को मैप करना शुरू किया ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि यह जो हम पहले से जानते हैं उसके अनुरूप हो। उन्होंने जांचा कि उनके द्वारा प्रस्तावित कण ब्रह्मांड में देखे जाने वाले डार्क मैटर की सही मात्रा उत्पन्न करेंगे और उन्हें पिछले प्रयोगों द्वारा पहचाना नहीं गया होगा। उन्होंने चार विशिष्ट परिदृश्य, या "बेंचमार्क पॉइंट्स" की पहचान की, जहाँ कणों का द्रव्यमान एक प्रोटॉन के द्रव्यमान के लगभग 560 से 1,200 गुना के बीच था। इन परिदृश्यों में, डार्क मैटर और उसके आवेशित साथी के बीच वजन का अंतर बहुत कम है, जो अक्सर एक एकल परमाणु नाभिक के वजन से भी कम होता है। यह सूक्ष्म अंतर महत्वपूर्ण है क्योंकि यह आवेशित कण को सामान्य से अधिक समय तक जीवित रहने के लिए मजबूर करता है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि इन विशिष्ट द्रव्यमानों के लिए, आवेशित कण डिटेक्टर के भीतर कुछ सेंटीमीटर से लेकर लगभग एक मीटर तक यात्रा करेगा। यह दूरी मापने योग्य तो है, लेकिन इतनी कम है कि ट्रैकिंग उपकरणों के भीतर ही घटित हो जाए।

यह देखने के लिए कि क्या इन कणों को पाया जा सकता है, शोधकर्ताओं ने 3 टेरा-इलेक्ट्रॉन-वोल्ट की ऊर्जा वाले भविष्य के कोलाइडर में लाखों टकरावों का सिम्युलेशन किया। उन्होंने उस विशिष्ट घटना की निगरानी की जहाँ इन आवेशित कणों की एक जोड़ी उत्पन्न होती है और फिर डिटेक्टर के माध्यम से यात्रा करती है। जैसे-जैसे आवेशित कण आगे बढ़ता है, वह संकेतों की एक लकीर छोड़ता है, ठीक वैसे ही जैसे एक विमान पीछे कंट्रेल (contrail) छोड़ता है। हालाँकि, क्योंकि वह कण अंततः अदृश्य डार्क मैटर और मलबे के एक बहुत ही कोमल, धीमी गति से चलने वाले टुकड़े में बदल जाता है, इसलिए वह लकीर अचानक रुक जाती है। शोधकर्ताओं ने इन विशिष्ट "किंक्ड" (kinked) या "डिसेपियरिंग" (लुप्त होते) रास्तों को खोजने के लिए एक डिजिटल फ़िल्टर सेट किया। उन्होंने यह आवश्यकता रखी कि लकीर टकराव के केंद्र से एक निश्चित दूरी से शुरू हो और डिटेक्टर की आंतरिक परतों के भीतर समाप्त हो। उन्होंने यह भी जांचा कि जिस कोण पर लकीर मुड़ी या रुकी, वह वास्तविक थी या मशीन की कोई रैंडम गड़बड़ी, इसके लिए पर्याप्त तीक्ष्ण (sharp) थी।

उनके सिम्युलेशन के परिणाम उत्साहजनक थे। उनके चार परिदृश्यों में से सबसे हल्के परिदृश्य के लिए, उन्होंने भविष्यवाणी की कि डेटा संग्रह के एक वर्ष में, मशीन इन लगभग 1,000 लुप्त घटनाओं को देखेगी। सबसे भारी परिदृश्य के लिए भी, जहाँ कणों को पैदा करना कठिन है, वे अभी भी दर्जनों स्पष्ट संकेतों की उम्मीद करते हैं। अध्ययन ने दिखाया कि इन कणों को खोजने की क्षमता उनके वजन के सटीक अंतर पर बहुत अधिक निर्भर करती है। यदि अंतर बहुत कम है, तो कण बहुत लंबे समय तक जीवित रहते हैं और टूटने से पहले डिटेक्टर से बाहर निकल जाते हैं। यदि अंतर बहुत अधिक है, तो वे बहुत जल्दी टूट जाते हैं, जिससे वे नोटिस किए जाने लायक दूरी तक यात्रा करने से पहले ही गायब हो जाते हैं। इसका "स्वीट स्पॉट" एक संकीकी सीमा में निहित है जहाँ कण बस इतना चलते हैं कि उन्हें पकड़ा जा सके। शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि इस प्रकार के कोलाइडर में मशीन का अपना बैकग्राउंड शोर बहुत कम होगा, जिससे वर्तमान बड़े कोलाइडरों के शोर भरे वातावरण की तुलना में इन दुर्लभ घटनाओं को पहचानना बहुत आसान हो जाता है।

अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि लुप्त होते रास्तों (disappearing tracks) की खोज एक छिपे हुए डार्क सेक्टर के विचार का परीक्षण करने का एक शक्तिशाली तरीका है। हालाँकि शोधकर्ताओं ने कोई भौतिक डिटेक्टर नहीं बनाया या वास्तविक प्रयोग नहीं चलाया, उनके विस्तृत सिम्युलेशन दिखाते हैं कि यदि ये कण मौजूद हैं, तो भविष्य का इलेक्ट्रॉन-पॉजिट्रॉन कोलाइडर उन्हें ढूंढ सकता है। यह पद्धति उन कणों के अद्वितीय व्यवहार पर निर्भर करती है जो लगभग, लेकिन पूरी तरह से, एक ही वजन के हैं। एक ऐसे आवेशित कण को खोजने के माध्यम से जो कुछ कदम चलता है और फिर गायब हो जाता है, वैज्ञानिक अंततः डार्क मैटर परिवार की एक झलक पा सकते हैं। यह कार्य इस बात पर प्रकाश डालता है कि भविष्य के कण भौतिकी प्रयोगों को इन सूक्ष्म, दीर्घजीवी संकेतों को देखने के लिए डिज़ाइन किया जाना चाहिए, क्योंकि वे विज्ञान के सबसे बड़े रहस्यों में से एक को सुलझाने की कुंजी हो सकते हैं।