Probing the Axion--Photon--Dark Photon Interaction with LHC Mono-Photons and Fermi-LAT Gamma-Ray Lines
यह शोध पत्र एक्सियन-फोटॉन-डार्क फोटॉन इंटरेक्शन की जांच करता है, जिसमें बेहतर LHC मोनो-फोटॉन बाधाओं को व्युत्पन्न करके जो LEP सीमाओं से आगे निकल जाती हैं और HL-LHC संवेदनशीलता का प्रक्षेपण किया गया है, साथ ही यह प्रदर्शित किया गया है कि फर्मी-LAT गामा-रे लाइन डेटा भारी एक्सियन डार्क मैटर के लिए पूरक और अक्सर अधिक मजबूत बाधाएं प्रदान करता है, जो सामूहिक रूप से अध्ययन किए गए द्रव्यमान सीमा में थर्मल रेलिक परिदृश्य को बाहर करता है।
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ब्रह्मांड अदृश्य धागों से भरा है जो ज्ञात दुनिया को अज्ञात से जोड़ते हैं। भौतिकविदों को लंबे समय से संदेह रहा है कि आकाशगंगाओं को एक साथ थामे रखने वाला पदार्थ—डार्क मैटर—तारों या ग्रहों के समान चीज़ से नहीं बना है, बल्कि कणों के एक छिपे हुए क्षेत्र से बना है जो साधारण प्रकाश के साथ शायद ही कभी अंतःक्रिया करते हैं। इन छिपे हुए कणों के लिए दो प्रमुख उम्मीदवार एक्सियन (axion) है, जो एक भूतिया कण है जिसे मूल रूप से इस पहेली को सुलझाने के लिए प्रस्तावित किया गया था कि ब्रह्मांड पदार्थ को प्रति-पदार्थ (antimatter) पर प्राथमिकता क्यों देता है, और डार्क फोटॉन (dark photon), जो साधारण फोटॉन का एक भारी संबंधी है जो इस छिपे हुए क्षेत्र के भीतर बलों को वहन कर सकता है। हालांकि इन कणों को कभी सीधे देखा नहीं गया है, लेकिन यदि वे एक विशिष्ट तरीके से एक-दूसरे के साथ अंतःक्रिया करते हैं, तो उनका अस्तित्व प्रकट हो सकता है, जिससे दृश्य और अदृश्य दुनिया के बीच एक सेतु बन जाएगा। यदि ऐसा कोई सेतु मौजूद है, तो यह इन छिपे हुए कणों को कभी-कभी प्रकाश की चमक में बदलने की अनुमति देगा जिसे हमारे सबसे शक्तिशाली टेलीस्कोप और कण त्वरक (particle colliders) पकड़ सकें।
शोधकर्ताओं के एक दल ने अब इस विशिष्ट अंतःक्रिया के संकेतों की खोज करने के लिए दुनिया के सबसे शक्तिशाली कण क्रशर, लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर के डेटा का एक नया दृष्टिकोण से पुनरीक्षण किया है। उन्होंने एक ऐसे परिदृश्य पर ध्यान केंद्रित किया जहाँ एक टक्कर प्रकाश की एक एकल, उच्च-ऊर्जा चमक उत्पन्न करती है जिसके साथ बड़ी मात्रा में लुप्त ऊर्जा (missing energy) होती है, जो एक ऐसा संकेत है जो दर्शाता है कि एक छिपा हुआ कण पहचान से बचकर निकल गया है। कोलाइडर में CMS प्रयोग के रिकॉर्डों की सावधानीपूर्वक पुनरीक्षण करके, वैज्ञानिक यह निर्धारित करने में सक्षम हुए कि एक्सियन और डार्क फोटॉन एक-दूसरे से कितनी मजबूती से संवाद कर सकते हैं। उनका विश्लेषण दिखाता है कि 2.3 हजार प्रोटॉन से अधिक भारी द्रव्यमान वाले डार्क फोटॉन के लिए, इन कणों के बीच की अंतःक्रिया अविश्वसनीय रूप से कमजोर होनी चाहिए, जो पहले संभव मानी गई तुलना में कहीं अधिक कमजोर है। यह खोज पुराने प्रयोगों के सर्वोत्तम पिछले सीमाओं से तीन गुना या उससे अधिक के कारक से सुधार करती है, जो प्रभावी रूप से उन कई सिद्धांतों के द्वार बंद कर देती है जिन्होंने भविष्यवाणी की थी कि ये कण अधिक मजबूती से अंतःक्रिया करेंगे।
शोधकर्ताओं ने वर्तमान डेटा पर ही नहीं रोका। उन्होंने यह भी अनुमान लगाया कि क्या होगा यदि कोलाइडर को इसके भविष्य के 'हाई-ल्यूमिनोसिटी' संस्करण में अपग्रेड किया जाता है, जो और भी अधिक तीव्रता के साथ कणों को आपस में टकराएगा। उनके सिमुलेशन सुझाव देते हैं कि यह भविष्य की मशीन भारी द्रव्यमान तक की खोज को और आगे बढ़ा सकती है, जो प्रोटॉन के द्रव्यमान के तीन हजार गुना तक पहुँच सकती है। हालाँकि, एक सीमा है कि ये कण कितने भारी हो सकते हैं इससे पहले कि उन्हें वर्णित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले गणितीय उपकरण विफल हो जाएं। टीम ने पाया कि उनकी खोज लगभग 2.3 हजार प्रोटॉन द्रव्यमान तक वैध रहती है, जिसके बाद स्वयं सिद्धांत को फिर से लिखने की आवश्यकता होगी। यह सीमा महत्वपूर्ण है क्योंकि यह हमें ठीक बताती है कि वर्तमान भौतिकी कहाँ समाप्त होती है और नई, अनदेखी भौतिकी कहाँ से शुरू होनी चाहिए।
अध्ययन ने इस संभावना की ओर भी ध्यान आकर्षित किया कि क्या एक्सियन स्वयं वह डार्क मैटर है जो ब्रह्मांड को भर रहा है। यदि यह सच है, तो एक्सियन केवल टक्करों में उत्पन्न ही नहीं होंगे, बल्कि वे तारों के बीच के विशाल स्थानों में एक-दूसरे के साथ निरंतर विनाशी (annihilating) क्रिया भी करेंगे, जिससे वे गामा किरणों के रूप में शुद्ध ऊर्जा में बदल जाएंगे। शोधकर्ताओं ने अपने कोलाइडर परिणामों की तुलना फर्मी-एलएटी (Fermi-LAT) अंतरिक्ष टेलीस्कोप के डेटा से की, जो आकाश को इन विशिष्ट गामा-रे संकेतों के लिए स्कैन करता है। उन्होंने दोनों प्रकार के प्रयोगों के बीच एक दिलचस्प कार्य विभाजन की खोज की। हल्के एक्सियनों के लिए, कोलाइडर बेहतर जासूस है, जो उनके अस्तित्व को अधिक प्रभावी ढंग से खारिज करने में सक्षम है। लेकिन जैसे-जैसे एक्सियन भारी होता जाता है, जो डार्क फोटॉन के द्रव्यमान के करीब पहुँचता है, अंतरिक्ष टेलीस्कोप श्रेष्ठ उपकरण बन जाता है। वास्तव में, भारी द्रव्यमान वाले एक्सियनों के पास, टेलीस्कोप का डेटा कोलाइडर के सर्वश्रेष्ठ वर्तमान परिणामों की तुलना में सात गुना से अधिक संवेदनशील है।
जब शोधकर्ताओं ने कण त्वरक और अंतरिक्ष टेलीस्कोप दोनों से प्राप्त सीमाओं को संयोजित किया, तो उन्होंने पाया कि एक थर्मल रेलिक एक्सियन (thermal relic axion)—एक ऐसा कण का संस्करण जो प्रारंभिक ब्रह्मांड में बनाया गया था और वर्तमान तक जीवित रहा है—उनके द्वारा अध्ययन किए गए संपूर्ण द्रव्यमान सीमा में पूरी तरह से खारिज कर दिया गया है। इसका अर्थ यह है कि यदि एक्सियन वास्तव में डार्क मैटर हैं, तो वे वे सरल, मानक संस्करण नहीं हो सकते जिन्हें भौतिकविद् खोज रहे थे; उन्हें या तो अधिक जटिल होना चाहिए या वे अनुमानित मॉडलों की तुलना में भिन्न स्थितियों में मौजूद होने चाहिए। यह कार्य इस बात को रेखांकित करता है कि पृथ्वी पर मौजूद विशाल मशीनों से लेकर कक्षा में घूम रहे टेलीस्कोपों तक, भौतिक विज्ञानी के शस्त्रागार के विभिन्न उपकरणों को ब्रह्मांड के अदृश्य परिदृश्य को मानचित्रित करने के लिए एक साथ मिलकर काम करना चाहिए। इन विशिष्ट संभावनाओं को खारिज करके, शोधकर्ताओं ने खोज को संकुचित कर दिया है, जिससे भविष्य के प्रयोगों को उन सबसे आशाजनक स्थानों की ओर निर्देशित किया जा सके जहाँ छिपे हुए कणों को ढूँढा जा सकता है।
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