डार्क मैटर हंट

ग्रेट अंडरग्राउंड क्सीनन डार्क मैटर प्रयोग के दृश्य के अंदर नीचे

यह काले पदार्थ की तलाश करने वाले गरीब भौतिकविदों के लिए अफ़सोस की बात है - एक विदेशी पदार्थ, जिसमें से लगभग एक चौथाई पदार्थ अंतरिक्ष में होते हैं, केवल ब्रह्मांड के बाकी हिस्सों के साथ गुरुत्वाकर्षण और कमजोर बातचीत के माध्यम से बातचीत करते हैं। और एक सप्ताह अंधेरे पदार्थ चिढ़ा भौतिकविदों के एक नए संकेत के बिना नहीं गुजरता है, सांख्यिकीय त्रुटि की सीमा पर उत्पन्न होता है, और फिर गायब हो जाता है, उनकी आशाओं को तोड़ता है।

डार्क मैटर की खोज के लिए, बड़ी संख्या में प्रयोग किए जाते हैं, संक्षिप्तीकरण से एक संपूर्ण पत्र सूप, और प्रत्येक अपनी तकनीक और प्रौद्योगिकी का उपयोग करता है। इसलिए भौतिकविदों को ऐसी किसी चीज़ की तलाश करनी होगी, जिसके सटीक गुण उनके लिए अज्ञात हों। समस्या यह है कि यद्यपि कई प्रयोगों में अंधेरे पदार्थ के कई संकेत पाए गए थे, वे एक दूसरे के अनुरूप नहीं हैं। यदि आप एक ग्राफ पर विभिन्न रंगों में विभिन्न प्रयोगों के परिणाम डालते हैं, तो यह अमूर्त कला की तरह दिखाई देगा।

6 साल पहले, शिकागो विश्वविद्यालय के जुआन कोलार्ड डार्क मामले का जल्द पता लगाने की उम्मीद से भरे थे। लेकिन प्रत्येक बाद का परिणाम एक नई दिशा की ओर इशारा करता था। यह आश्चर्य की बात नहीं है कि वह द बिग लेबोव्स्की को परिभाषित करके अपनी रिपोर्ट शुरू करता है: "हम शून्यवादी हैं, हम कुछ भी नहीं मानते हैं।"

कोलार ने एक साक्षात्कार में कहा, "पिछले कुछ वर्षों से ऐसा लगता है कि हम अपनी खुद की पूँछ का पीछा कर रहे हैं।"

अच्छी खबर यह है कि शायद कुछ फिर से चोंच मार रहा है। भौतिकशास्त्री आकाश और गहरे भूमिगत में संकेत देखते हैं, और बड़े हैड्रोन कोलाइडर में अन्य संकेतों की तलाश करते हैं, जो अंधेरे मामले के लिए शिकार में भी भाग लेते हैं। डार्क मैटर के बारे में कानाफूसी जोर से हो जाती है, और कई संकेत जुटने लगते हैं। बुरी खबर यह है कि ये संकेत अभी भी सुसंगत नहीं हैं, और हर एक बहुत अविश्वसनीय है, मिशिगन विश्वविद्यालय के कैथरीन ज़ुरेक के अनुसार। कई भौतिकविदों को संदेह है कि अंधेरे पदार्थ के संकेत बिल्कुल मिल सकते हैं। आम तौर पर कुछ लोग शून्यवाद के आदी होते हैं, जैसे कि कोलार, जिन्होंने कहा: "यह मुश्किल नहीं है कि शून्यवादी हो, यह देखते हुए कि चीजें कैसे चल रही हैं।"

रहस्यमय मामला

सामान्य दृश्यमान पदार्थ - ग्रह, तारे, आकाशगंगा, सब कुछ - ब्रह्मांड में जो कुछ भी है, उसका केवल 4.9% भाग ही बनाता है। इसमें से अधिकांश, 68.3%, अंतरिक्ष के तेजी से विस्तार के लिए जिम्मेदार, अंधेरे ऊर्जा के होते हैं। शेष - 26.8% - में डार्क मैटर होता है।

यदि भौतिकविदों को यह नहीं पता है कि वास्तव में क्या काला पदार्थ है, तो वे इसके अस्तित्व के बारे में सुनिश्चित हैं। 1933 में यह अवधारणा उत्पन्न हुई जब फ्रिट्ज़ ज़्विकी ने एक क्लस्टर में आकाशगंगाओं की गति का विश्लेषण किया और इस निष्कर्ष पर पहुंचे कि दृश्यमान पदार्थ द्वारा उत्सर्जित गुरुत्वाकर्षण आकर्षण क्लस्टर से भागने से आकाशगंगाओं को उच्च गति पर नहीं रख सकता है। दशकों बाद, वेरा रुबिन और केंट फोर्ड ने आकाशगंगाओं के किनारे पर घूमते सितारों का अवलोकन करके ज़िवकी के "डार्क मैटर" का एक और सबूत पाया। तारे धीमी गति से आगे बढ़ने वाले थे, वे आकाशगंगाओं के केंद्र से थे, जैसे कि हमारे सौर मंडल के बाहरी ग्रह सूर्य के चारों ओर अधिक धीमी गति से चलते हैं। इसके बजाय, बाहरी सितारे केंद्र के करीब सितारों के रूप में तेजी से चले गए, लेकिन आकाशगंगाओं का क्षय नहीं हुआ। कुछ ने गुरुत्वाकर्षण पुल को पूरक बनाया।

डार्क मैटर केवल स्पष्टीकरण नहीं था। शायद गुरुत्वाकर्षण के आइंस्टीन मॉडल को ठीक करना आवश्यक था। कई वैकल्पिक मॉडल प्रस्तावित किए गए हैं, जैसे कि MOND (संशोधित न्यूटनियन डायनामिक्स)। रुबिन खुद एक बार इस पर झुके थे, और 2005 में न्यू साइंटिस्ट के साथ एक साक्षात्कार में कहा कि "यह एक नए प्रकार के उप-परमाणु कणों से भरे ब्रह्मांड की तुलना में अधिक आकर्षक विकल्प था।"


बुलेट क्लस्टर में आकाशगंगाओं का कुल द्रव्यमान क्लस्टर में दो बादलों के द्रव्यमान से बहुत छोटा है, जिसमें एक्स-रे (लाल रंग में चिह्नित) से निकलने वाली गर्म गैस शामिल है। नीले क्षेत्र, यहां तक ​​कि सभी आकाशगंगाओं और बादलों की तुलना में अधिक विशाल, काले पदार्थ के वितरण को दर्शाते हैं

लेकिन प्रकृति को हमारी सौंदर्य वरीयताओं द्वारा दरकिनार किया जाता है। 2006 में, बुलेट क्लस्टर (1E 0657-56) की हड़ताली छवि ने इस सवाल का अंत कर दिया। इस पर आकाशगंगाओं के दो गुच्छे एक दूसरे से गुजरते हुए दिखाई दे रहे थे, और उनकी गैसों ने टकराते हुए गोली के रूप में एक झटका लहर पैदा की। विश्लेषण के परिणाम आश्चर्यजनक निकले: केंद्र में सघन संरचनाओं में जमा हुई गर्म गैस (साधारण पदार्थ) जहां टकराव हुआ, और दूसरी ओर, केवल डार्क मैटर संचित हो सकता है। जब क्लस्टर टकराते हैं, तो डार्क मैटर सही से गुजरता है, क्योंकि यह बहुत कम ही साधारण पदार्थ के साथ इंटरैक्ट करता है।

"मुझे लगता है कि इस स्तर पर हम डार्क मैटर के अस्तित्व के बारे में सुनिश्चित हो सकते हैं," शिकागो विश्वविद्यालय के भौतिक विज्ञानी डैन हूपर कहते हैं। "जहाँ तक मुझे पता है, गुरुत्वाकर्षण का एक भी संशोधित सिद्धांत इसकी व्याख्या नहीं करता है।"

डार्क मैटर कणों के लिए एक प्रमुख उम्मीदवार एक बड़े उप-कण, न्यूट्रिनो के समान, बड़े पैमाने पर व्यापक कणों को कमजोर करने वाले डब्ल्यूआईएमपी का वर्ग है, जो अन्य मामलों में भी शायद ही कभी बातचीत करता है। हिग्स बोसोन की खोज के बाद, कण भौतिकी का एक युग समाप्त हो गया है, और जनता का ध्यान एक नई प्रमुख खोज की ओर जा रहा है। शिकागो विश्वविद्यालय के कॉस्मोलॉजिस्ट माइकल टर्नर ने कहा कि वह इस दशक को डब्ल्यूआईएमपी दशक मानते हैं।

संकेत / शोर

अधिकांश सिद्धांतकारों को शुरू में भारी WIMP संस्करण के लिए झुकाव दिया गया था, और उनका मानना ​​था कि अंधेरे पदार्थ में लगभग 100 GeV वजन वाले कण होते हैं। उप-परमाणु कणों के द्रव्यमान को जन-ऊर्जा, इलेक्ट्रॉन-वोल्ट की इकाइयों में मापा जाता है। उदाहरण के लिए, एक प्रोटॉन का द्रव्यमान 1 GeV है। लेकिन नवीनतम सबूत प्रकाश कणों के विकल्प का समर्थन करते प्रतीत होते हैं, जिसमें उनका द्रव्यमान 7 से 10 GeV तक होता है। इस वजह से, उन्हें सीधे पंजीकृत करना मुश्किल है, क्योंकि कई प्रयोग नाभिक के पुनरावृत्ति को मापने पर भरोसा करते हैं।

इस तरह के प्रयोगों को आमतौर पर गहरे भूमिगत किया जाता है - ताकि ब्रह्मांडीय किरणों को बेहतर ढंग से फ़िल्टर किया जा सके, जो आसानी से काले पदार्थ के संकेतों से भ्रमित हो सकते हैं। वे ध्यान से चयनित लक्ष्य सामग्री के साथ एक डिटेक्टर को शामिल करते हैं, उदाहरण के लिए, जर्मेनियम या सिलिकॉन क्रिस्टल, या तरल क्सीनन। तब भौतिक विज्ञानी डार्क मैटर के कणों के टकराने और लक्ष्य सामग्री के परमाणु नाभिक के दुर्लभ मामलों की प्रतीक्षा करते हैं। यह प्रकाश की चमक में परिणाम होना चाहिए, और यदि वे पर्याप्त उज्ज्वल हैं, तो डिटेक्टर उन्हें रिकॉर्ड करेगा।

इसका मतलब यह है कि एक गहरे पदार्थ के कण का पता लगाने के लिए, यह नाभिक से टकराते समय डिटेक्टर संवेदनशीलता की सीमा से अधिक सिग्नल उत्पन्न करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा ले जाना चाहिए। और हल्के WIMPs ऐसा करने की संभावना कम है। NYU के नील वेनर का कहना है कि WIMP परिदृश्यों में अंतर दो बॉलिंग बॉल के बीच टकराव और एक बॉलिंग बॉल के साथ पिंग पोंग बॉल के बीच का अंतर है। "कहते हैं, एक काइनेटिक रूप से भारी कण प्रकाश की तुलना में इस तरह की ऊर्जा को स्थानांतरित करना बहुत आसान है," वे कहते हैं।

भौतिक विज्ञानी काले पदार्थ की तलाश कैसे करते हैं? डिटेक्टरों द्वारा एकत्र किए गए डेटा में फटने को देखें। सिग्नल की ताकत मानक पृष्ठभूमि के विचलन, या सिग्मा की संख्या से अपेक्षित पृष्ठभूमि मूल्य से निर्धारित होती है। इस मीट्रिक की तुलना अक्सर एक सिक्के की तुलना में कई बार की जाती है। तीन सिग्मा का परिणाम पहले से ही एक गंभीर संकेत है, एक पंक्ति में नौ बार एक सिक्के के नुकसान के बराबर।

इनमें से कई सिग्नल नए डेटा के आगमन के साथ सांख्यिकीय रूप से कम महत्वपूर्ण हो जाते हैं या गायब हो जाते हैं। खोज का स्वर्ण मानक पांच सिग्मा है , एक पंक्ति में 21 पूंछ में गिरने के बराबर। यदि कई लोग एक ही समय में सिक्के फड़फड़ाते हैं, और सभी के पास एक पंक्ति में कई बार पूंछ होती है - या कई प्रयोगों से एक बड़े अंतर में तीन सिग्मा का संकेत मिलता है - यहां तक ​​कि एक असंभावित परिणाम भी संभव हो जाता है।

डार्क मैटर के कुछ संकेत 2.8 सिग्मा के मुश्किल क्षेत्र में हैं। "इन सभी आशाजनक परिणामों को एक सप्ताह में खारिज किया जा सकता है," नेशनल एक्सेलेरेटर प्रयोगशाला के मैथ्यू बकले ने कहा। एनरिको फर्मी (फर्मिलाब)। "लेकिन ऐसी चीजें हमेशा संकेत से शुरू होती हैं।" जब आप अधिक डेटा एकत्र करते हैं, तो संकेत सांख्यिकीय रूप से अधिक महत्वपूर्ण हो जाता है। ”

पृष्ठभूमि शोर कार्य को जटिल करता है। "आप एक" संकेत के लिए देख रहे हैं। " जुलाई 2011 में एक ब्लॉग पर रटगर्स यूनिवर्सिटी के भौतिक विज्ञानी मैथ्यू स्ट्रैस्लर ने लिखा, "बैकग्राउंड" वह सब कुछ है जो आपके सिग्नल से मिलता जुलता है और इसे खोजना मुश्किल है। " उन्होंने बाद में कहा: "यदि आप छोटी पृष्ठभूमि को ध्यान में नहीं रखते हैं, तो यह आमतौर पर अतिरिक्त कम-ऊर्जा टकराव के रूप में सामने आएगा, जो बहुत हल्के WIMPs जैसा होगा। दूसरे शब्दों में, हल्का काला पदार्थ एक गलत संकेत की तरह दिखता है। "

स्ट्रैसलर ने इस कार्य की तुलना लोगों से भरे कमरे में लोगों के एक समूह को खोजने की कोशिश करने के लिए की। यदि आपके मित्र समान चमकीले लाल रंग के जैकेट पहनेंगे, और बाकी सभी लोग अन्य रंगों के कपड़े पहनेंगे, तो संकेत प्राप्त करना आसान होगा। यदि अन्य लोग भी उज्ज्वल लाल जैकेट पहनेंगे, तो अजनबियों के यादृच्छिक समूह सिग्नल को छिपाएंगे। कल्पना करें कि आपने गलत तरीके से लाल जैकेट में लोगों की संख्या का अनुमान लगाया है, या यहां तक ​​कि आप कलर ब्लाइंड हैं। इनमें से किसी भी मामले में, आप गलत निष्कर्ष करेंगे: जब आपने अपने दोस्तों को पाया था, तो वास्तव में, संकेत अजनबियों का एक यादृच्छिक क्लस्टर है।

आज के लिए साक्ष्य

इन चुनौतियों के बावजूद, विभिन्न प्रयोगों ने कुछ आशाजनक, विवादास्पद परिणाम दिए। दस साल से अधिक समय पहले, मध्य इटली में ग्रान सस्सो डी'तालिया पहाड़ में स्थित डीएएमए / एलआईबीआरए प्रयोग (थैलियम जोड़ा के साथ एक पोटेशियम आयोडाइड डिटेक्टर का उपयोग करके अंधेरे पदार्थ की खोज करता है), प्रति वर्ष टकराव की संख्या में छोटे उतार-चढ़ाव पाए गए। वैज्ञानिकों के एक समूह ने कहा कि उन्होंने एक हल्के WIMP के रूप में एक गहरे पदार्थ के कण की खोज की, जिसका वजन लगभग 10 GeV था।


DAMA / LIBRA

अन्य भौतिकविदों ने गंभीर संदेह जताया है। यद्यपि DAMA / LIBRA से संकेत वास्तव में था, यह कुछ और का सबूत हो सकता है। तथ्य यह है कि एक अन्य प्रयोग में, उसी पर्वत के आंत्र में स्थित XENON10 , एक ही ऊर्जा अंतराल में संकेत का पता लगाने में विफल रहा, मदद नहीं की। सीडीएमएसआईआई प्रयोग के साथ वही हुआ, जो कि मिनेसोटा के सूडान में एक गहरी खदान में किया गया था। यदि हाल ही में DAMA / LIBRA परिणाम वास्तव में डार्क एनर्जी से संबंधित हैं, तो ऐसी ऊर्जा के संकेत का पता लगाने के लिए दोनों हालिया प्रयोग काफी संवेदनशील थे।

एक अन्य प्रयोग, CRESST , ने एक संकेत का पता लगाया। लेकिन यह पूरी तरह से DAMA / LIBRA से संकेत के अनुरूप नहीं था, और इसका विश्लेषण सभी संभावित पृष्ठभूमि शोरों को ध्यान में नहीं रख सकता था जो वांछित संकेत का अनुकरण कर सकते थे। इसके अलावा, DAMA / LIBRA ने वैज्ञानिकों को जनता के साथ डेटा साझा करने से मना कर दिया ताकि अन्य लोग इसका अध्ययन कर सकें।

प्रयोगों के बीच मतभेदों पर चर्चा करते समय, जुनून अक्सर उबाल होता है। बकले कहते हैं, "ऐसा होता है कि आप डार्क मैटर के बारे में एक रिपोर्ट बनाते हैं, और यह सब खत्म हो जाता है।"

लेकिन वैज्ञानिकों के इतालवी समूह का परिणाम काफी स्थिर निकला। कोलार, अन्य उत्साही आलोचकों के साथ, अपने प्रयोग को व्यवस्थित करके DAMA / LIBRA खोजों की गिरावट को साबित करने का फैसला किया, जिसे CoGeNT कहा जाता है। 2011 में, यह योजना अलग हो गई, क्योंकि CoGeNT डेटा के प्रारंभिक विश्लेषण ने परिणामों की पुष्टि की।

“हमने DAMA को उजागर करने के इरादे से CoGeNT का निर्माण किया, और अब हम अचानक एक ही पैरामीटर स्पेस में फंस गए हैं,” कोलार। हालांकि, सूडान की खदान में आग लगने के कारण, जिसमें प्रयोग हुआ था, प्रारंभिक खोज केवल 15 महीनों की अवधि के डेटा से प्राप्त हुई थी। और वे एक और 2.8 सिग्मा सिग्नल दिखाते हैं। अब कोलार टीम प्रयोग के साढ़े तीन साल के लिए प्राप्त आंकड़ों का विश्लेषण कर रही है, जो इस संकेत को मजबूत करना चाहिए - यदि यह वास्तविक है।


CoGeNT प्रयोग

संदेह दूर नहीं हुआ है। CDMSII परिणाम एक ही 10 GeV क्षेत्र से तीन घटनाओं को दर्शाता है। दो साल पहले, सीडीएमएसआईआई पर काले पदार्थ के समान दो घटनाएं दर्ज की गई थीं, लेकिन सावधानीपूर्वक विश्लेषण के बाद उन्हें छोड़ दिया गया था। इस बार "हम तीन स्पष्ट घटनाओं," Zurek कहते हैं।

"अगर किसी ने काले पदार्थ को देखा, तो यह उस तरह से दिखेगा," वह कहती है। लेकिन इस तथ्य के कारण कि वे अभी भी 2.8 सिग्मा की सीमा पर हैं, "कोई भी विश्वास नहीं करेगा कि ये तीन घटनाएं अंधेरे मामले के कारण थीं जब तक कि कोई और इसे नहीं देखता।" नवीनतम साक्ष्यों ने पहले ही XENON10 के साथ भौतिकविदों को उनके विश्लेषण की समीक्षा करने के लिए प्रेरित किया है, और निष्कर्ष निकाला है कि उन्होंने DAMA / LIBRA पर पाए जाने वाले फेफड़े के WIMPs के संकेतों को गलत तरीके से खारिज कर दिया है।

अचानक, प्रकाश WIMP संस्करण कम से कम संभावित है, और हमारे मिल्की वे के केंद्र से उत्सर्जित गामा किरणों के हूपर के विश्लेषण द्वारा समर्थित है, जो 10 जीईवी संस्करण के अनुरूप एक डार्क मैटर सिग्नल का संकेत देता है।

लेकिन यह एकमात्र विकल्प नहीं है। दिलचस्प गतिशीलता के बिना WIMP - चाहे वे कितने बड़े पैमाने पर हों - बस काले पदार्थ का सबसे सरल संस्करण है। ब्रह्मांड के पूरे "डार्क सेक्टर" को बनाने वाली अंधेरे बलों के माध्यम से विभिन्न प्रकार के इंटरैक्शन के साथ कई प्रकार के डार्क मैटर कण हो सकते हैं, जो सिद्धांतकार अभी तलाशने में लगे हैं। वेनर का मानना ​​है कि डार्क पावर वाले मॉडल "इनमें से कुछ विसंगतियों को समझाने का सबसे सरल तरीका है", लेकिन वह चेतावनी देते हैं कि प्रोटोटाइप प्रदर्शन अभी भी एक लंबा रास्ता तय करना है। ज़्युरेक सहमत हैं: "सिद्धांत रूप में, हम किसी भी संख्या में सिद्धांतों को लिख सकते हैं, लेकिन प्रकृति को केवल एक को चुनने की आवश्यकता होगी," वह कहती हैं।

हम यह पता लगा सकते हैं कि क्या ये सभी संकेत वास्तविक हैं? शायद वर्ष के दौरान, शायद इसे और अधिक समय तक इंतजार करना होगा। हालाँकि, भौतिकशास्त्री काले पदार्थ को खोजने की कोशिश कर रहे हैं, जल्द ही अधिक व्यावहारिक प्रतिबंध लग सकते हैं: बजट में कटौती। खोजों के लिए कई तरह के प्रयोग महत्वपूर्ण हैं। "चूंकि हम यह नहीं जानते हैं कि किस भौतिक भौतिकी का डार्क मैटर सामान्य से इंटरैक्ट करता है, इसलिए कई अलग-अलग प्रयोग गलत विकल्प के कारण डार्क मैटर के गुम होने की संभावना को कम कर देते हैं, और यदि कई प्रयोगों में कुछ पाया जाता है, तो सैद्धांतिक मॉडल को बहुत तेजी से छोड़ना संभव होगा।" बकले ने कहा। हालांकि, सभी प्रयोगों के लिए अमेरिकी ऊर्जा विभाग को परिणामों की रिपोर्ट करना आवश्यक है, और उनमें से केवल 2-3 ही जीवित रह पाएंगे।

कोलार कहते हैं, "विभाग चीजों को क्रम में रखता है।" - विविधता अच्छी है, लेकिन धन की मात्रा सीमित है। यदि निर्माणाधीन डिटेक्टर विफल हो जाते हैं, तो इसे जारी रखने के लिए प्रेरणा खोजना बहुत मुश्किल होगा। ”

अनुवादक का नोट; मूल लेख के लेखन के बाद से:

• CRESST डिटेक्टर को 2015 में अपडेट किया गया था, जिससे संवेदनशीलता 100 गुना बढ़ गई थी ताकि अब यह द्रव्यमान के बराबर द्रव्यमान के साथ काले पदार्थ के कणों का पता लगाने में सक्षम हो। उन्हें यूरोपीय भूमिगत दुर्लभ घटना कैलोरमीटर एरे (EURECA) प्रयोग द्वारा प्रतिस्थापित किया जा रहा है।
• अगली पीढ़ी के SuperCDMS डिटेक्टर की जगह CDMSII डिटेक्टर
• CoGeNT प्रयोग के परिणामों को संसाधित किया गया था, और यह निष्कर्ष निकाला गया था कि WIMP के रूप में प्राप्त संकेत पृष्ठभूमि के शोर के लिए बेहिसाब थे।
• 2016 में, XENON10 डिटेक्टर को अधिक संवेदनशील XENON1T द्वारा बदल दिया गया था, जिससे संवेदनशीलता 100 गुना बढ़ गई थी।
• ऑस्ट्रेलिया में DAMA / LIBRA सेंसर का पुनरुत्पादन करने के लिए, Stawell Underground Physics Laboratory (SUPL) बनाया जा रहा है।
• फरवरी 2017 तक, काले पदार्थ के कणों का पता लगाने के लिए कोई ठोस सबूत नहीं मिला है।