Direct Detection of Millicharged Particles from Evaporating Primordial Black Holes
यह शोध पत्र हॉकिंग विकिरण के माध्यम से वाष्पित होते आदिम ब्लैक होल (प्राइमॉर्डियल ब्लैक होल्स) द्वारा उत्सर्जित मिलीचार्ज्ड कणों के प्रत्यक्ष पता लगाने की जांच करता है, जिसमें कणों के द्रव्यमान और आवेश मापदंडों पर कड़े प्रतिबंध स्थापित करने के लिए XENONnT, JUNO और Super-Kamiokande से प्राप्त इलेक्ट्रॉन रिकोइल संकेतों का उपयोग किया गया है।
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ब्रह्मांड के शांत कोनों में, जहाँ भौतिकी के नियम अपनी पूर्ण सीमाओं तक पहुँच जाते हैं, वहाँ एक सैद्धांतिक संभावना मौजूद है जो पदार्थ के बारे में हमारी समझ को फिर से लिख सकती है। दशकों से, वैज्ञानिक उन कणों की खोज कर रहे हैं जो परमाणुओं और प्रकाश के उस मानक परिवार का हिस्सा नहीं हैं जिसे हम रोज़ देखते हैं। सबसे दिलचस्प उम्मीदवारों में से एक "मिलीचार्ज्ड पार्टिकल्स" (millicharged particles) हैं, जो काल्पनिक वस्तुएं हैं जो एक इलेक्ट्रॉन के विद्युत आवेश के एक बहुत छोटे अंश को वहन करती हैं। यदि वे अस्तित्व में हैं, तो वे प्रेत की तरह होंगे, जो साधारण पदार्थ के माध्यम से लगभग बिना किसी सूचना के निकल जाते हैं, फिर भी वे डार्क मैटर जैसे रहस्यों की कुंजी हो सकते हैं। एक अन्य ब्रह्मांडीय पहेली आदिम ब्लैक होल (primordial black holes) से जुड़ी है, जो टूटते हुए सितारों से बनने वाले विशाल, तारे निगलने वाले दिग्गजों के बजाय, बिग बैंग के पहले सेकंड के तुरंत बाद बने सूक्ष्म, प्राचीन अवशेष हैं। हालाँकि ये ब्लैक होल सीधे देखने के लिए बहुत छोटे हैं, सिद्धांत बताता है कि वे वास्तव में काले नहीं हैं; वे अंतरिक्ष में ऊर्जा और कणों को धीरे-धीरे लीक करते हैं, एक प्रक्रिया जिसे हॉकिंग इवैपोरेशन (Hawking evaporation) कहा जाता है। यह शोध जिस प्रश्न से प्रेरित है वह सरल लेकिन गहरा है: क्या ये प्राचीन, वाष्पित होते ब्लैक होल हमारी आकाशगंगा में मिलीचार्ज्ड कणों की एक निरंतर धारा पंप कर रहे हैं, जो पृथ्वी पर सबसे संवेदनशील डिटेक्टरों द्वारा पकड़े जाने की प्रतीक्षा कर रहे हैं?
एक शोधकर्ता इस प्रश्न का उत्तर देने के लिए यह गणना करने के उद्देश्य से निकल पड़ा कि क्या ऐसे कण अंतरिक्ष की गहराइयों से उन भूमिगत प्रयोगशालाओं तक की यात्रा में जीवित रह सकते हैं जहाँ भौतिक विज्ञानी उनकी खोज करते हैं। उन्होंने इन आदिम ब्लैक होल की दो विशिष्ट आबादी पर ध्यान केंद्रित किया, एक समूह जिसने एक क्वैड्रिलियन ग्राम का द्रव्यमान शुरू किया था और दूसरा जिसका वजन उससे आठ गुना अधिक था। जैसे-जैसे ये ब्लैक होल अरबों वर्षों में वाष्पित होते हैं, वे कणों का एक स्पेक्ट्रम उत्सर्जित करते हैं। शोधकर्ता ने मॉडल किया कि कैसे ये कण, जो एक सूक्ष्म विद्युत आवेश वहन करते हैं, हमारी आकाशगंगा, मिल्की वे के चुंबकीय क्षेत्रों के माध्यम से यात्रा करेंगे। यह यात्रा एक सीधी रेखा नहीं है; कण लगातार चुंबकीय हवाओं से टकराते हैं और अंतरतारकीय अंतरिक्ष के विरल पदार्थ के साथ परस्पर क्रिया करते हुए अपनी ऊर्जा खो देते हैं। शोधकर्ता को इस बात का भी हिसाब लगाना पड़ा कि सौर पवन (solar wind), जो हमारे सूर्य से बहने वाले आवेशित कणों की धारा है, इन कणों के पृथ्वी तक पहुँचने से पहले उनके प्रवाह को कैसे और अधिक फ़िल्टर करेगी।
एक बार जब कण हमारे ग्रह पर पहुँचते हैं, तो उन्हें अपने सामने अंतिम और सबसे कठिन बाधा मिलती है: स्वयं पृथ्वी। डिटेक्टरों तक पहुँचने के लिए, जो ब्रह्मांडीय शोर से बचने के लिए जमीन के बहुत नीचे दबे हुए हैं, कणों को चट्टानों के हजारों मीटर के माध्यम से गुजरना पड़ता है। यह "ओवरबर्डन" (overburden) एक मोटे ढाल की तरह कार्य करता है, जो गुजरने वाले किसी भी कण की ऊर्जा को छीन लेता है। शोधकर्ता ने सटीक रूप से गणना की कि एक मिलीचार्ज्ड कण द्रव्यमान और गति के आधार पर चट्टान के माध्यम से ड्रिल करते समय कितनी ऊर्जा खो देगा। उन्होंने पाया कि केवल वे ही कण जिनके पास पर्याप्त प्रारंभिक ऊर्जा और सही मात्रा में आवेश है, वे यात्रा में जीवित रहने और अत्यधिक धीमे हुए या रुके बिना संवेदनशील उपकरणों तक पहुँचने में सक्षम होंगे।
इसके बाद शोधकर्ता ने सिम्युलेट किया कि क्या होगा यदि ये जीवित बचे कण डिटेक्टरों से टकराते हैं। उन्होंने तीन प्रमुख प्रयोगों को देखा: इटली में तरल ज़ेनॉन का एक टैंक (XENONnT); चीन में एक विशाल तरल स्किंटिलेटर डिटेक्टर (JUNO); और जापान में एक विशाल पानी का टैंक (Super-K)। इनमें से प्रत्येक सुविधा इस मंद चमक को देखने के लिए डिज़ाइन की गई है जो तब उत्पन्न होती है जब एक कण एक इलेक्ट्रॉन से टकराता है। शोधकर्ता ने विभिन्न कण द्रव्यमान और आवेश के संयोजनों के लिए इन "इलेक्ट्रॉन रिकोइल" (electron recoil) घटनाओं की अपेक्षित संख्या की गणना की। उन्होंने इन भविष्यवाणियों की तुलना पहले से एकत्र किए गए वास्तविक डेटा से की। यदि डिटेक्टरों ने ज्ञात स्रोतों जैसे न्यूट्रिनो से अपेक्षित से अधिक चमक देखी होती, तो यह मिलीचार्ज्ड कणों की उपस्थिति का संकेत होता। हालाँकि, डेटा में ऐसी कोई अतिरिक्त चमक नहीं दिखी।
इस सावधानीपूर्वक विश्लेषण का परिणाम मिलीचार्ज्ड कणों के अस्तित्व के लिए सख्त नई सीमाएँ है। शोधकर्ता ने पाया कि भारी समूह वाले आदिम ब्लैक होल के लिए, भारी मिलीचार्ज्ड कणों का उत्सर्जन दृढ़ता से दबा हुआ है, जिसका अर्थ है कि डिटेक्टर उन्हें नहीं देख पाएंगे। हल्के, गर्म ब्लैक होल के लिए, उत्सर्जन अधिक कुशल है, लेकिन डिटेक्टरों ने फिर भी कुछ नहीं देखा। XENONnT, JUNO और Super-K के शून्य परिणामों (null results) को जोड़कर, शोधकर्ता इन कणों के द्रव्यमान और आवेश की एक विस्तृत श्रृंखला को खारिज करने में सक्षम रहा। विशेष रूप रूप से, उन्होंने पाया कि यदि ये कण मौजूद हैं, तो उनमें द्रव्यमान और आवेश के वे विशिष्ट संयोजन नहीं हो सकते जो इन प्रयोगों में पता लगाने योग्य संकेत उत्पन्न करते। यह अध्ययन दर्शाता है कि XENONnT की निम्न-ऊर्जा संवेदनशीलता विशेष रूप से शक्तिशाली है, जो इसे इन कणों के उच्चतम द्रव्यमान क्षेत्रों की जांच करने की अनुमति देती है, जबकि अन्य डिटेक्टर पूरक बाधाएं प्रदान करते हैं।
यह कार्य यह सिद्ध नहीं करता है कि मिलीचार्ज्ड कण मौजूद नहीं हैं, लेकिन यह खोज क्षेत्र को काफी कम कर देता है। यह हमें बताता है कि यदि ये प्रेत कण वाष्पित होते आदिम ब्लैक होल द्वारा उत्पादित किए जा रहे हैं, तो वे या तो बहुत हल्के हैं या बहुत कम आवेशित हैं, जैसा कि मॉडलों ने भविष्यवाणी की थी, या शायद वे वर्तमान तकनीक द्वारा देखे जाने के लिए आवश्यक मात्रा में मौजूद नहीं हैं। शोधकर्ता ने यह भी नोट किया कि जबकि अन्य ब्रह्मांडीय घटनाएं, जैसे सुपरनोवा विस्फोट, इन कणों के प्रवाह को बाधित कर सकती हैं, ब्लैक होल से निरंतर इंजेक्शन यह सुनिश्चित करता है कि जनसंख्या अध्ययन के लिए पर्याप्त स्थिर बनी रहे। अंततः, यह अध्ययन डिटेक्टरों की चुप्पी को एक शक्तिशाली कथन में बदल देता है, जो कण भौतिकी के छिपे हुए क्षेत्र में क्या संभव है उसकी सीमाएं निर्धारित करता है और भविष्य की खोजों को शेष, अनछुए क्षेत्रों की ओर निर्देशित करता है।
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