Search for dark photon dark matter near using a superconducting mixer
यह शोधपत्र 1 meV के पास डार्क फोटॉन डार्क मैटर की सीधी खोज करने के लिए एक सुपरकंडक्टिंग मिक्सर के उपयोग को प्रदर्शित करता है, जो किसी महत्वपूर्ण संकेत का पता लगाए बिना काइनेटिक मिक्सिंग पैरामीटर पर प्रतिस्पर्धी ऊपरी सीमाएँ स्थापित करता है।
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द दशकों से, ब्रह्मांड ने एक शांत रहस्य छिपा कर रखा है। जबकि हम तारों, आकाशगंगाओं और गैस के बादलों को देख सकते हैं, ब्रह्मांड का विशाल हिस्सा किसी ऐसी चीज़ से बना है जो अदृश्य है। हम इस लुप्त द्रव्यमान को "डार्क मैटर" कहते हैं, लेकिन हमने कभी भी इसके एक भी कण का प्रत्यक्ष रूप से पता नहीं लगाया है। एक प्रमुख सिद्धांत सुझाव देता है कि डार्क मैटर "डार्क फोटॉन" नामक कण से बना हो सकता है। प्रकाश के उन फोटॉन्स के विपरीत जो हमें देखने में सक्षम बनाते हैं, ये डार्क फोटॉन लगभग द्रव्यमानहीन होंगे और सामान्य पदार्थ के साथ बहुत कम परस्पर क्रिया करेंगे। हालाँकि, यह सिद्धांत डार्क दुनिया और हमारी अपनी दुनिया के बीच एक सूक्ष्म, लगभग अदृश्य संबंध की अनुमति देता है। यदि यह संबंध मौजूद है, तो डार्क फोटॉन कभी-कभी धातु की सतह से टकराने पर साधारण प्रकाश कणों में बदल सकते हैं। इस मंद, परिवर्तित प्रकाश को खोजना एक युगांतकारी खोज होगी, जो डार्क मैटर के अस्तित्व को सिद्ध करेगी और प्रकृति के एक नए बल को प्रकट करेगी।
जापान के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस मायावी संकेत को पकड़ने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। उन्होंने एक विशेष, अत्यंत संवेदनशील रिसीवर बनाया है जिसे एक बहुत ही विशिष्ट प्रकार के प्रकाश को सुनने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जो तब दिखाई देगा यदि डार्क फोटॉन वास्तव में हमारे पड़ोस में मौजूद हों। टीम ने अपनी खोज को एक हज़ार इलेक्ट्रॉन वोल्ट के पास के द्रव्यमान सीमा पर केंद्रित किया, जो लगभग 243 गीगाहर्ट्ज़ की आवृत्ति वाली प्रकाश तरंगों के अनुरूप है। यह एक ऐसी आवृत्ति है जो मानक रेडियो रिसीवर की क्षमता से कहीं अधिक उच्च है, जो मिलीमीटर-वेव स्पेक्ट्रम के गहरे हिस्से में स्थित है जहाँ पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक्स बिना बहुत अधिक शोर (नॉइज़) पैदा किए काम करने में संघर्ष करते हैं जो सिग्नल को दबा दे। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिकों ने "सुपरकंडक्टिंग मिक्सर" नामक उपकरण का उपयोग किया। यह घटक, जिसे परम शून्य तापमान से कुछ डिग्री ऊपर ठंडा किया गया है, इन उच्च-आवृत्ति वाली तरंगों को कम आवृत्तियों में बदलने में सक्षम है जिन्हें मानक एम्पलीफायर अत्यधिक सटीकता के साथ माप सकते हैं, और यह सब बैकग्राउंड शोर को न्यूनतम रखते हुए किया जाता है।
यह प्रयोग क्योटो विश्वविद्यालय की एक प्रयोगशाला में आयोजित किया गया था, जहाँ शोधकर्ताओं ने रूपांतरण सतह के रूप में एक बड़ी एल्युमीनियम प्लेट स्थापित की। विचार यह था कि यदि डार्क फोटॉन कमरे से गुजर रहे हैं, तो वे इस धातु की प्लेट से टकराएंगे और साधारण फोटॉन्स में बदल जाएंगे, जो फिर सतह से टकराकर हॉर्न एंटीना की ओर बढ़ेंगे। एंटीना, जो एक क्रायोजेनिक रिसीवर पर लगा हुआ था, ने इन मंद संकेतों को पकड़ा। पूरे सेटअप को ढाल दिया गया था और ठंडा किया गया था ताकि कोई भी बाहरी गर्मी या हस्तक्षेप स्वाभाविक कॉस्मिक शोर की नकल न कर सके। टीम ने लगभग एक घंटे तक डेटा एकत्र किया, जिसमें आवृत्ति स्पेक्ट्रम के एक बहुत ही संकीसे हिस्से को स्कैन किया गया। उन्होंने प्राप्त संकेतों की शक्ति का विश्लेषण किया, और एक तीखे, संकीर्ण स्पाइक (उभार) की तलाश की जो प्राकृतिक ब्रह्मांडीय शोर के सुचारू बैकग्राउंड के विरुद्ध अलग दिखाई दे। ऐसा स्पाइक डार्क मैटर के प्रकाश में बदलने का फिंगरप्रिंट होगा।
डेटा की सावधानीपूर्वक जांच करने के बाद, शोधकर्ताओं को ऐसा कोई स्पाइक नहीं मिला। पावर लेवल स्थिर रहे और वही थे जिसकी अपेक्षा डार्क फोटॉन की अनुपस्थिति में की जाती है। हालाँकि यह एक 'शून्य परिणाम' लग सकता है, लेकिन यह क्षेत्र के लिए जानकारी का एक महत्वपूर्ण टुकड़ा है। सिग्नल न पाकर, टीम डार्क फोटॉन सामान्य पदार्थ के साथ कितनी मजबूती से परस्पर क्रिया कर सकते हैं, इस पर सख्त ऊपरी सीमाएं निर्धारित करने में सक्षम हुई। उन्होंने निर्धारित किया कि यदि ये कण मौजूद हैं, तो हमारी दुनिया के साथ उनके संबंध की ताकत एक विशिष्ट सीमा से कम होनी चाहिए, जो लगभग एक अरब में से एक है। यह सीमा सूर्य के अवलोकन से वैज्ञानिकों द्वारा प्राप्त सर्वोत्तम बाधाओं के तुल्य है, लेकिन इसे यहाँ एक प्रयोगशाला सेटिंग में प्रत्यक्ष खोज के माध्यम से प्राप्त किया गया। यह कार्य सिद्ध करता है कि उपयोग किया गया तकनीकी उपकरण—विशेष रूप से सुपरकंडक्टिंग मिक्सर—इस द्रव्यमान सीमा में डार्क मैटर की खोज के लिए एक व्यवहार्य और शक्तिशाली उपकरण है।
भविष्य की ओर देखते हुए, शोधकर्ता केवल इस एक आवृत्ति पर नहीं रुक रहे हैं। वे अपने उपकरणों को अपग्रेड करने की योजना बना रहे हैं ताकि खोज को और अधिक संवेदनशील बनाया जा सके और द्रव्यमान की एक बहुत विस्तृत श्रृंखला को कवर किया जा सके। वे अपने सेटअप में एक बड़ा फोकसिंग मिरर जोड़ने का इरादा रखते हैं, जो उन्हें इस प्रारंभिक परीक्षण में उपयोग किए गए छोटे एंटीना की तुलना में परिवर्तित प्रकाश का बहुत अधिक संग्रह करने की अनुमति देगा। वे नए स्पेक्ट्रोमीटर भी विकसित कर रहे हैं जो एक साथ आवृत्तियों के एक विस्तृत दायरे को स्कैन कर सकते हैं, न कि केवल एक छोटे से हिस्से को। इन सुधारों के साथ, उनका लक्ष्य 0.7 से 1.1 मिली इलेक्ट्रॉन वोल्ट के द्रव्यमान सीमा की खोज करना है, एक ऐसा क्षेत्र जहाँ वर्तमान ज्ञान विरल है। हालाँकि इस बार उन्हें डार्क मैटर नहीं मिला, लेकिन उन्होंने इसे खोजने का एक नया तरीका सफलतापूर्वक प्रदर्शित किया है, जिससे एक सैद्धांतिक संभावना को एक मूर्त, मापने योग्य खोज में बदल दिया गया है जो हमें अदृश्य ब्रह्मांड को समझने के करीब लाता है।
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