Searching for axion-like particles with space-based optical lattice clock networks

द दशकों से, खगोलविदों को ज्ञात है कि दृश्यमान तारे और आकाशगंगाएँ ब्रह्मांड का केवल एक बहुत छोटा हिस्सा बनाती हैं। शेष भाग एक अदृश्य पदार्थ है जिसे डार्क मैटर (dark matter) कहा जाता है, जो गुरुत्वाकर्षण के माध्यम से आकाशगंगाओं को एक साथ थामे रखता है, लेकिन प्रकाश या साधारण पदार्थ के माध्यम से स्वयं को प्रकट करने से इनकार करता है। हालाँकि हम जानते हैं कि यह वहाँ है, लेकिन हमें नहीं पता कि यह किस चीज से बना है। एक प्रमुख विचार यह सुझाव देता है कि डार्क मैटर अत्यंत हल्के, भूतिया कणों से बना है जिन्हें एक्सियन-लाइक पार्टिकल्स (axion-like particles) कहा जाता है। ये कण इतने सूक्ष्म रूप से परस्पर क्रिया करते हैं कि वे हमारे शरीरों और पृथ्वी सहित सब कुछ से बिना कोई निशान छोड़े गुजर जाते हैं। क्योंकि वे इतनी कमजोर तरह से अंतःक्रिया करते हैं, इसलिए उन्हें खोजना एक तूफान में फुसफुसाहट सुनने की कोशिश करने जैसा है। हालाँकि, यदि ये कण मौजूद हैं, तो वे प्रकाश के साथ एक बहुत ही विशिष्ट तरीके से अंतःक्रिया कर सकते हैं, जिससे अंतरिक्ष में यात्रा करते समय प्रकाश तरंगों के ओरिएंटेशन (orientation) को मरोड़ देते हैं। यह सूक्ष्म प्रभाव पहचान का एक संभावित मार्ग प्रदान करता है, बशर्ते हमारे पास ऐसे उपकरण हों जो सबसे मंद बदलाव को पकड़ने के लिए पर्याप्त संवेदनशील हों।

शोधकर्ताओं के एक दल ने अंतरिक्ष में तैरती अति-सटीक घड़ियों के नेटवर्क का उपयोग करके इन मायावी कणों की खोज करने का एक नया तरीका प्रस्तावित किया है। उनका विचार मूल रूप से स्पेसटाइम (spacetime) में उठने वाली लहरों, जिन्हें गुरुत्वाकर्षण तरंगें (gravitational waves) कहा जाता है, को सुनने के लिए डिज़ाइन किए गए एक सिद्धांत पर आधारित है। योजना में सूर्य के चारों ओर दो जोड़ों में व्यवस्थित, चार उपग्रहों को कक्षा में रखने की है। प्रत्येक जोड़ी उपग्रह एक लेजर बीम साझा करती है, जो उनके बीच एक लंबा, स्थिर लिंक बनाती है। प्रत्येक उपग्रह के भीतर एक ऑप्टिकल लैटिस क्लॉक (optical lattice clock) होती है, जो एक ऐसा उपकरण है जो इतना सटीक है कि यह पूरे ब्रह्मांड की आयु में एक सेकंड से भी कम की त्रुटि के साथ समय को माप सकता है। इन सिंक्रोनाइज़्ड घड़ियों की टिक-टिक की दरों की तुलना करके, वैज्ञानिक अत्यधिक सटीकता के साथ लेजर बीम की आवृत्ति (frequency) को माप सकते हैं। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि यदि एक्सियन-लाइक कण मौजूद हैं, तो वे लेजर बीम की आवृत्ति में एक सूक्ष्म, लयबद्ध बदलाव लाएंगे, जो एक एकल जोड़ी घड़ियों के लिए अदृश्य होगा लेकिन कई जोड़ियों के डेटा की तुलना करने पर स्पष्ट रूप से दिखाई देगा।

इस पद्धति की कुंजी स्वयं डार्क मैटर क्षेत्र की प्रकृति में निहित है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि उनके द्वारा रुचि रखे जाने वाले विशिष्ट द्रव्यमान सीमा के लिए, एक्सियन-लाइक कण पूरे सौर मंडल में फैले एक सुचारू, सुसंगत तरंग (coherent wave) की तरह व्यवहार करेंगे। क्योंकि यह तरंग इतनी विशाल है, यह दोनों उपग्रहों को एक ही समय में एक ही तरह से प्रभावित करेगी, जिससे एक सह-संबंधित संकेत (correlated signal) उत्पन्न होगा। इसके विपरीत, वह यादृच्छिक शोर (random noise) जो प्रत्येक संवेदनशील उपकरण को प्रभावित करता है, प्रत्येक जोड़ी के लिए अलग होगा। दोनों जोड़ियों में एक साथ दिखने वाले संकेत की तलाश करके, टीम शोर को छान सकती है और संभावित डार्क मैटर प्रभाव को अलग कर सकती है। लेजर बीम को इस प्रकार की विशिष्ट कण अंतःक्रिया के प्रति संवेदनशील बनाने के लिए, टीम लेजर पथ में एक सरल ऑप्टिकल घटक जोड़ने का प्रस्ताव करती है जो प्रकाश के ध्रुवीकरण (polarization) को बदल देता है, जो अनिवार्य रूप से लेजर बीम को एक्सियन क्षेत्र के मरोड़ने वाले प्रभाव को पकड़ने वाले उपकरण में बदल देता है।

जब शोधकर्ताओं ने अपने प्रस्तावित नेटवर्क के लिए गणना की, तो उन्होंने पाया कि यह डार्क मैटर के उन गुणों के क्षेत्र की जांच कर सकता है जिसे अन्य विधियों के साथ खोजना कठिन रहा है। वर्तमान अंतरिक्ष घड़ी प्रस्तावों में उपयोग किए जाने वाले मानक लेजर फ्रीक्वेंसी के लिए, नेटवर्क एक्सियन-लाइक कणों का पता लगाने के लिए पर्याप्त संवेदनशील होगा, जो पिछले अनुमानों में लगभग दस गुना सुधार करेगा। हालाँकि, अध्ययन ने एक महत्वपूर्ण विवरण प्रकट किया: नेटवर्क की संवेदनशीलता स्वयं लेजर लिंक की आवृत्ति पर बहुत अधिक निर्भर करती है। यदि टीम एक बहुत कम आवृत्ति वाला लेजर उपयोग करती है, जैसा कि गहरे अंतरिक्ष संचार में उपयोग किया जाता है, तो नेटवर्क की इन कणों को खोजने की क्षमता नाटकीय रूप से बढ़ जाएगी। इस समायोजन के साथ, प्रस्तावित प्रणाली वर्तमान सर्वोत्तम सीमाओं से हज़ार गुना बेहतर संवेदनशीलता स्तर तक पहुँच सकती है, जो डार्क मैटर की प्रकृति में एक नया द्वार खोल सकती है।

यह कार्य एक सैद्धांतिक प्रस्ताव बना हुआ है, एक ब्लूप्रिंट है कि क्या हासिल किया जा सकता है यदि तकनीक बनाई और तैनात की जाए। शोधकर्ताओं ने अभी तक इन कणों का पता नहीं लगाया है, न ही उनके अस्तित्व को खारिज किया है। इसके बजाय, उन्होंने एक मार्ग तैयार किया है, यह दिखाते हुए कि कैसे अंतरिक्ष-आधारित घड़ियों का एक नेटवर्क, जो मूल रूप से एक अलग उद्देश्य के लिए था, ब्रह्मांड के सबसे रहस्यमय पदार्थ के सूक्ष्म हस्ताक्षर को सुनने के लिए पुन: उपयोग किया जा सकता है। डार्क मैटर क्षेत्र की सुसंगतता और आधुनिक परमाणु घड़ियों की सटीकता का लाभ उठाकर, यह दृष्टिकोण डार्क मैटर की पहेली को सुलझाने के लिए एक आशाजनक नई रणनीति प्रदान करता है। निष्कर्ष बताते हैं कि सही विन्यास के साथ, हम अंततः एक्सियन की फुसफुसाहट को एक स्पष्ट संकेत में बदलने में सक्षम हो सकते हैं।