कम ऊर्जा वाली सीमाओं पर डार्क मैटर दुबक सकता है - इसके सबूत हैं

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कम ऊर्जा वाली सीमाओं पर डार्क मैटर दुबक सकता है - इसके सबूत हैं
कम ऊर्जा वाली सीमाओं पर डार्क मैटर दुबक सकता है - इसके सबूत हैं
Anonim

नई पीढ़ी के डार्क मैटर डिटेक्टरों में रहस्यमय प्रभाव एक क्रांतिकारी खोज की शुरुआत कर सकते हैं। पिछले एक साल में, इन डिटेक्टरों के साथ काम करने वाले वैज्ञानिकों ने अचानक कम ऊर्जा वाले एक्सपोज़र की मात्रा में वृद्धि, या अधिकता देखी है।

दशकों की कड़ी खोज के बाद भी वैज्ञानिकों को डार्क मैटर का एक भी कण नहीं मिला है। वैज्ञानिक पदार्थ के इस रूप के अस्तित्व के लगभग "लौह" प्रमाण देते हैं, लेकिन आज तक यह निर्धारित करना संभव नहीं है कि वास्तव में इसमें क्या शामिल है। कई दशकों से, भौतिकविदों ने इस परिकल्पना का पालन किया है कि डार्क मैटर भारी होता है और इसमें तथाकथित कमजोर रूप से बड़े पैमाने पर परस्पर क्रिया करने वाले कण होते हैं - WIMP, जिसे माना जाता है कि प्रयोगशाला स्थितियों में आसानी से पता लगाया जा सकता है।

हालाँकि, कई वर्षों के श्रमसाध्य शोध के बावजूद, वैज्ञानिक अभी तक WIMP को खोजने में कामयाब नहीं हुए हैं। और भौतिकविदों ने और भी अधिक उत्साह के साथ खोज शुरू की। जैसे-जैसे शोधकर्ता अधिक से अधिक सटीक प्रयोग करते हैं, अधिक डेटा जमा करते हैं, उन परिकल्पनाओं का पुनर्मूल्यांकन होता है जो इस बात पर प्रकाश डालते हैं कि कैसे डिटेक्टर एक प्रोटॉन की तुलना में हल्के द्रव्यमान वाले डार्क मैटर कणों को पकड़ सकते हैं। और इस साल की शुरुआत में arXiv प्रीप्रिंट सर्वर पर। org, दो पेपर प्रकाशित हुए जो भौतिकी में परिवर्तन का प्रतीक बन गए। इन लेखों में, लेखकों ने पहली बार डार्क मैटर द्वारा निर्मित प्लास्मोन्स (पदार्थ में इलेक्ट्रॉनों की सामूहिक गति) की खोज पर प्रयासों पर ध्यान केंद्रित करने का प्रस्ताव रखा है।

पहला पेपर नेशनल एक्सेलेरेटर लेबोरेटरी में डार्क मैटर के अध्ययन में विशेषज्ञता वाले वैज्ञानिकों के एक समूह द्वारा लिखा गया था। बटाविया, इलिनोइस में एनरिको फर्मी (फर्मिलैब), साथ ही अर्बाना-शैंपेन में इलिनोइस विश्वविद्यालय और शिकागो विश्वविद्यालय के विशेषज्ञ। वैज्ञानिकों ने परिकल्पना की है कि कम द्रव्यमान वाला डार्क मैटर प्लास्मोन पैदा करने में सक्षम है, और इन कणों को कुछ डिटेक्टरों का उपयोग करके पकड़ा जा सकता है। इस ग्राउंडब्रेकिंग पेपर से प्रेरित होकर, यूसी सैन डिएगो के भौतिक विज्ञानी टोंगयान लिन और जोनाथन कोज़ाज़ुक ने इस संभावना की गणना की कि डिटेक्टर कम द्रव्यमान वाले डार्क मैटर का पता लगाने में सक्षम हैं।

"हम चिल्ला रहे हैं 'प्लासमोन, प्लास्मोन, प्लास्मोन!' क्योंकि यह पेचीदा घटना, हमारी राय में, हमें डार्क मैटर के प्रयोगों को समझाने में मदद करेगी," पहले लेख के सह-लेखक और डार्क मैटर के विशेषज्ञ गॉर्डन क्रंजिक ने कहा। फ़र्मिलाब और शिकागो विश्वविद्यालय में कवली इंस्टीट्यूट ऑफ कॉस्मोलॉजिकल फिजिक्स। कण भौतिक विज्ञानी, खगोल भौतिकीविदों के साथ, एक दशक से कम द्रव्यमान वाले डार्क मैटर का पता लगाने की समस्या पर विचार कर रहे हैं। बल्कि, रसायनज्ञ और सामग्री वैज्ञानिक), जो पहचानकर्ता, चिह्न हैं, गहरे द्रव्य।

"मुझे लगता है कि यह बहुत अच्छा है," जेरूसलम के हिब्रू विश्वविद्यालय के एक सैद्धांतिक भौतिक विज्ञानी योनीत होचबर्ग ने कहा, जिन्होंने क्रंजज की टीम द्वारा प्राप्त परिणामों पर टिप्पणी की (हालांकि योनिट सीधे तौर पर उल्लिखित लेखों में शामिल नहीं थे)। "तथ्य यह है कि [प्लास्मोन] हैं जो किसी अज्ञात तरीके से अभिनय करने में सक्षम हैं, मेरी राय में, एक अत्यंत महत्वपूर्ण परिणाम है जिसके लिए वास्तव में आगे के अध्ययन की आवश्यकता है।"

कुछ वैज्ञानिक पहले प्रकाशित लेख के परिणामों को बड़े संदेह के साथ देखते हैं।जैसा कि कैलिफोर्निया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के एक डार्क मैटर शोधकर्ता कैथरीन ज़्यूरेक ने इसे रखा, उदाहरण के लिए, लेख "मुझे काफी आश्वस्त नहीं करता है," और जोड़ा, "मुझे समझ में नहीं आता कि यह कैसे काम करता है।" (हम जोड़ते हैं कि ज़्यूरेक ने भी इन लेखों के लेखन में भाग नहीं लिया)।

बदले में, पहले लेख नूह कुरिंस्की के सह-लेखकों में से एक, जो फर्मिलैब और कॉस्मोलॉजिकल फिजिक्स संस्थान में डार्क मैटर स्टडीज के क्षेत्र में प्रायोगिक गतिविधियों में लगे हुए हैं। कावली का मानना है कि विशेषज्ञों की आलोचना का तथ्य बिल्कुल भी असामान्य नहीं है। हमने उनके लिए एक कार्य निर्धारित किया: यह साबित करने के लिए कि हम गलत हैं। और मेरा मानना है कि इससे भौतिकी के इस क्षेत्र में किए जा रहे शोध को बहुत लाभ होगा। यह वही है जो उन्हें करने की कोशिश करनी चाहिए,”कुरिंस्की कहते हैं।

प्रयासों को मिलाएं

अदृश्य पदार्थ की खोज, जो लगभग कोई निशान नहीं छोड़ती है, आमतौर पर कुछ इस तरह से होती है: काले पदार्थ के कणों का पता लगाने के लिए, भौतिक विज्ञानी कुछ सामग्री का एक टुकड़ा लेते हैं, इसे कहीं गहरे भूमिगत स्थान पर रखते हैं, इसे उपकरण से जोड़ते हैं, और फिर प्रतीक्षा करते हैं सिग्नल ठीक होने की उम्मीद विशेष रूप से, वैज्ञानिकों को उम्मीद है कि एक डार्क मैटर कण सीधे डिटेक्टर में टकराएगा, जिसके परिणामस्वरूप इलेक्ट्रॉन, फोटॉन या यहां तक कि गर्मी का पता लगाया जा सकता है जिसे उपकरण द्वारा पता लगाया जा सकता है।

डार्क मैटर का पता लगाने के सैद्धांतिक दृष्टिकोण को 1985 के एक लेख में रेखांकित किया गया था; इसने वर्णन किया कि कैसे एक न्यूट्रिनो डिटेक्टर को डार्क मैटर कणों की खोज के लिए फिर से तैयार किया जा सकता है। जैसा कि उस लेख में दिखाया गया है, एक भीतर का डार्क मैटर कण उस पदार्थ के परमाणु नाभिक से टकरा सकता है जिससे डिटेक्टर बनाया गया है, और इसे एक आवेग दे सकता है, जैसे कि एक बिलियर्ड बॉल, दूसरे से टकराकर, उनमें से अंतिम को आवेग देता है। इस टक्कर के परिणामस्वरूप, डार्क मैटर, नाभिक से काफी जोर से टकराता है, एक संवेग प्रदान करता है, जिसके परिणामस्वरूप एक इलेक्ट्रॉन या एक फोटॉन बाहर निकल जाता है।

उच्च ऊर्जा पर सब कुछ बढ़िया हो जाता है। डिटेक्टर में परमाणुओं को मुक्त कणों, असतत और एक दूसरे से असंबंधित के रूप में देखा जा सकता है। हालांकि, कम ऊर्जा पर, तस्वीर बदल जाती है।

"लेकिन डिटेक्टर मुक्त कणों से नहीं बने होते हैं," पहले लेख के सह-लेखक, अर्बाना-शैंपेन में इलिनोइस विश्वविद्यालय के योनतन कान, जो डार्क मैटर का अध्ययन करते हैं, नोट करते हैं। "वे सिर्फ एक बहुत ही विशिष्ट सामग्री से बने हैं। और इसलिए आपके पास इस सामग्री के बारे में सारी जानकारी होनी चाहिए यदि आप यह समझना चाहते हैं कि आपका डिटेक्टर वास्तव में कैसे काम करता है।"

डिटेक्टर के अंदर, छोटे द्रव्यमान का एक डार्क मैटर कण अभी भी गति संचारित करेगा, लेकिन प्रभाव के परिणामस्वरूप, शेष कण बिलियर्ड में गेंदों की तरह नहीं बिखरेंगे, बल्कि कंपन करना शुरू कर देंगे। दूसरे शब्दों में, पिंग-पोंग बॉल की सादृश्य यहाँ अधिक उपयुक्त है।

"जैसे ही हम कम द्रव्यमान के डार्क मैटर की ओर बढ़ते हैं, फिर अन्य - अधिक सूक्ष्म - प्रभाव यहाँ दिखाई देने लगते हैं," लिन बताते हैं। इन सूक्ष्म प्रभावों का अर्थ है कि भौतिक विज्ञानी "सामूहिक उत्तेजना" कहलाना पसंद करते हैं। और यहां अर्थ यह है: यदि कई कण एक साथ एक साथ चलते हैं, तो उन्हें एक पूरे के रूप में वर्णित करना अधिक सुविधाजनक होता है, जैसे कि ध्वनि तरंग जिसमें कई कंपन परमाणु होते हैं।

यदि इलेक्ट्रॉन इस तरह से व्यवहार करना शुरू करते हैं, तो इस स्थिति में प्लास्मोन उत्पन्न होते हैं। यदि परमाणु नाभिक का एक समूह कंपन करना शुरू कर देता है, तो उनके सामूहिक उत्तेजना को फोनन कहा जाता है। यह घटना आमतौर पर खगोल भौतिकीविदों और उच्च-ऊर्जा भौतिकविदों द्वारा डार्क मैटर का अध्ययन करने का सामना करती है; हालांकि, वे इसे अप्रासंगिक मानते हैं।

लेकिन, जैसा कि भौतिकी में दिवंगत नोबेल पुरस्कार विजेता फिलिप एंडरसन ने एक बार टिप्पणी की थी, "अधिक का अर्थ अलग है," यानी, हम इस तथ्य को पहचानने की बात कर रहे हैं कि जैसे-जैसे सिस्टम बढ़ता है, इसमें व्यवहार के पूरी तरह से अलग कानून हो सकते हैं [अर्थात् फिलिप एंडरसन द्वारा लेख, 1972। "अधिक भिन्न है", अर्थात अधिक भिन्न है, - लगभग। अनुवाद।]। उदाहरण के लिए, पानी की एक बूंद पानी के एक अणु (H2O) की तुलना में बहुत अलग तरह से व्यवहार करती है। योनाथन कहन कहते हैं, "मैं इस अवधारणा से पूरी तरह प्रभावित हूं।"

दोनों पत्रों में प्रयुक्त प्लास्मोन उत्पादन के दृष्टिकोण एक दूसरे से कुछ भिन्न हैं।हालांकि, लेखक एक ही निष्कर्ष पर आते हैं: हमें वास्तव में उन संकेतों की तलाश करनी है जो प्लास्मों के उत्पादन को इंगित करते हैं। विशेष रूप से, लिन और कोज़ाचुक की गणना के अनुसार, कम द्रव्यमान के काले पदार्थ द्वारा एक प्लास्मोन के गठन की दर एक इलेक्ट्रॉन या एक फोटॉन की उपस्थिति की दर का लगभग दस-हजारवां होगा। यह मान असंभव लग सकता है, लेकिन भौतिकविदों के लिए यह काफी सटीक है।

अंधेरे में ऊर्जा को बढ़ावा

कुछ समय पहले तक, डार्क मैटर का पता लगाने के लिए सबसे संवेदनशील डिटेक्टरों में तरल क्सीनन के विशाल जलाशयों का उपयोग किया जाता था। हालांकि, पिछले कुछ वर्षों में, उन्हें नई पीढ़ी के छोटे सॉलिड-स्टेट डिटेक्टरों से बदल दिया गया है। वे EDELWEISS III, SENSEI और CRESST-III के संक्षिप्त रूप से जाने जाते हैं और जर्मेनियम, सिलिकॉन और स्कीलाइट जैसी सामग्रियों से निर्मित होते हैं। ऐसे डिटेक्टर डार्क मैटर के साथ टकराव के प्रति संवेदनशील होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप केवल एक इलेक्ट्रॉन हो सकता है।

लेकिन सभी डिटेक्टर, उनकी सुरक्षा की डिग्री की परवाह किए बिना, बाहरी शोर के प्रति संवेदनशील होते हैं, जिसके स्रोत, उदाहरण के लिए, पृष्ठभूमि विकिरण हो सकते हैं। और इसलिए पिछले एक साल में, डार्क मैटर के कई डिटेक्टरों के साथ काम करने वाले वैज्ञानिकों ने कम-ऊर्जा प्रभावों की संख्या में अचानक वृद्धि, या अधिकता दर्ज करना शुरू कर दिया, लेकिन वे इस तथ्य को चुपचाप पार कर गए।

कुरिंस्की और उनके सहयोगियों के पेपर ने पहली बार ऐसी कम-ऊर्जा "अतिरिक्त" के बीच एक उल्लेखनीय समानता का उल्लेख किया जो कि डार्क मैटर के साथ विभिन्न प्रयोगों में देखा गया है। ऐसा लगता है कि इनमें से कुछ अधिकता लगभग 10 हर्ट्ज प्रति किलोग्राम डिटेक्टर द्रव्यमान पर केंद्रित है। और चूंकि डिटेक्टर विभिन्न सामग्रियों से बने होते हैं, पूरी तरह से अलग-अलग जगहों पर स्थित होते हैं और एक-दूसरे से अलग-अलग परिस्थितियों में काम करते हैं, तो इस अजीब स्थिरता का शायद ही कोई अन्य सार्वभौमिक कारण हो, सिवाय डार्क मैटर के सूक्ष्म प्रभाव के। आगामी वैज्ञानिक बहस ने अन्य भौतिकविदों का ध्यान आकर्षित किया, जैसे कि लिन, जो जल्दी से प्लास्मोन से संबंधित गणित पर काम करने के लिए तैयार हो गए। लेकिन लिन को भी संदेह है: क्या होगा यदि वर्तमान समय में किए गए प्रयोगों के नतीजे बताते हैं कि प्लास्मोन डार्क मैटर से नहीं, बल्कि किसी और चीज से उत्पन्न होते हैं? "मैं यह नहीं कह रहा हूं कि डार्क मैटर इसका कारण नहीं है। मैं सिर्फ इतना कहता हूं कि डार्क मैटर मुझे अब तक एक असंबद्ध कारक लगता है,”लिन कहते हैं।

इस परिकल्पना का बार-बार परीक्षण और पुन: जांच की जाएगी क्योंकि नवीनतम डार्क मैटर डिटेक्टरों से नया डेटा आता है। लेकिन इससे कोई फर्क नहीं पड़ता कि डिटेक्टर इस समय रहस्यमय पदार्थ का पता लगा रहे हैं या नहीं। अब भौतिकी के इस क्षेत्र में काम कर रहे वैज्ञानिक प्लास्मों और कम द्रव्यमान वाले डार्क मैटर के व्यवहार के अन्य तरीकों का अध्ययन कर रहे हैं। अनुसंधान जारी है।

"मैं इस बात से इंकार नहीं करता कि हमने कई गलतियाँ की हैं, लेकिन वे सभी अपने आप में रुचि जगाते हैं," क्रज़ायच कहते हैं।

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