क्या हमें कभी पता चलेगा कि डार्क मैटर क्या है?

मायावी पदार्थ की खोज अपनी सीमा में आती है

अधिकांश खगोलविदों के लिए, डार्क मैटर सितारों और ग्रहों के समान वास्तविक है। हम नियमित रूप से इसके वितरण के नक्शे बनाते हैं। हम आकाशगंगाओं की कल्पना करते हैं जैसे कि चमकदार पदार्थ के साथ अंधेरे पदार्थ के टुकड़े। हम ब्रह्मांडीय संरचना के गठन और संपूर्ण ब्रह्मांड के विकास को काले पदार्थ के दृष्टिकोण से समग्र रूप से समझते हैं। हालांकि, परिष्कृत खोजों के एक दशक में, कोई भी सीधे डार्क मैटर का पता नहीं लगा सका है। हम उसके द्वारा डाली गई छाया को देखते हैं, लेकिन हमें पता नहीं है कि ब्रह्मांड के अंधेरे आधे हिस्से में क्या छिपा हो सकता है।

यह निश्चित रूप से सामान्य वस्तु या कण नहीं है - इस विकल्प को लंबे समय से खारिज कर दिया गया है। सैद्धांतिक तर्क एक नए प्रकार के कणों के पक्ष में बोलते हैं जो सामान्य पदार्थ के साथ कमजोर बातचीत करते हैं। इस तरह के कणों की एक बड़ी संख्या को हर समय हमारे ग्रह से गुजरना चाहिए, और हमें उम्मीद करनी चाहिए कि उनमें से कुछ को एक निशान छोड़ देना चाहिए। भौतिकविदों ने क्रिस्टल बढ़े, क्रायोजेनिक टैंक भरे, उन्हें साधारण कणों को बाहर करने के लिए गहरे भूमिगत दफन किया, और छोटे गर्मी दालों और प्रकाश की चमक की तलाश की, जो हमें पहले नहीं देखी गई कुछ देनी चाहिए। और अब तक, परिणाम उत्साहजनक नहीं हैं। लीड, साउथ डकोटा में, लक्स प्रयोग एक परित्यक्त सोने की खान में एक मील और एक आधा भूमिगत चलाता है। और मुझे कुछ नहीं मिला। चीन में, जिन-पिंग भूमिगत प्रयोगशाला में पैंडएक्स प्रयोग 2.4 किमी मोटी पत्थर की परत के नीचे एक सुरंग में चलता है। उसे कुछ नहीं मिला। फ्रांसीसी आल्प्स में फ्रीजस के पास सड़क सुरंग में, 1.7 किमी की गहराई पर काम कर रहे EDELWEISS प्रयोग को कुछ भी नहीं मिला। यह सूची जारी है।



शून्य परिणाम जल्दी से पैरामीटर स्थान के क्षेत्रों को संकीर्ण करते हैं जिसमें अंधेरे पदार्थ को छिपाया जा सकता है। डेटा की तीव्र कमी के कारण, सैद्धांतिक भौतिकविदों ने और भी अधिक विदेशी कणों के बारे में सिद्धांतों को सामने रखना शुरू कर दिया, लेकिन इनमें से अधिकांश उम्मीदवारों का पता लगाना और भी मुश्किल होगा। इसके बजाय कण त्वरक पर काले पदार्थ के कणों को प्राप्त करने की आशा की जा सकती है, और इस प्रकार उनकी उपस्थिति के बारे में एक निष्कर्ष निकाला जा सकता है: यह देखने के लिए कि क्या कण टकराव में ऊर्जा खो गई थी। लेकिन लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर ने ऐसा ही किया और अब तक ऐसा कुछ भी नहीं पाया है। कुछ सिद्धांतकारों को संदेह है कि कोई अंधेरे मामला नहीं है, और गुरुत्वाकर्षण के हमारे सिद्धांत - आइंस्टीन के सापेक्षता के सामान्य सिद्धांत - ने हमें भटका दिया है। जीटीआर हमें बताता है कि यदि अदृश्य पदार्थ द्वारा एक साथ धारण नहीं किया गया तो आकाशगंगाएं अलग हो जाएंगी, लेकिन शायद यह सिद्धांत गलत है। हालांकि, सामान्य सापेक्षता ने सभी पर्यवेक्षित जांचों को पारित कर दिया, और सभी प्रतिस्पर्धी सिद्धांतों में घातक खामियां हैं।

पैंसठ प्रतिशत सभी मामले हमारे लिए अज्ञात हैं। सबसे बढ़कर, हमें डर है कि यह हमेशा ऐसा रहेगा।

हालाँकि अधिकांश प्रयोगों से कुछ नहीं निकला, लेकिन उनमें से दो ने डार्क मैटर की खोज करने का दावा किया है। दोनों बयान बेहद विवादास्पद हैं, लेकिन विभिन्न कारणों से। वे गलत हो सकते हैं, लेकिन सावधानीपूर्वक विचार करने के लायक हैं। ये मामले, कम से कम, अंतरिक्ष के पदार्थ के रोमकूपों के बीच गहरे पदार्थ को खोजने की कठिनाई को प्रदर्शित करते हैं।

उत्तरी इटली में एक पहाड़ की सतह से 1.4 किमी नीचे एक सुरंग में स्थित Gran Sasso National Laboratory में DAMA / LIBRA कण डिटेक्टर, एक सोडियम आयोडाइड क्रिस्टल में परमाणु नाभिक से बिखरने वाले काले पदार्थ कणों द्वारा उत्पन्न प्रकाश की चमक की तलाश कर रहा है। वह तेरह वर्षों से डेटा एकत्र कर रहा है और कुछ असामान्य दर्ज कर रहा है। कण की संख्या बढ़ जाती है और मौसमी रूप से घट जाती है; अधिकतम जून में है, और न्यूनतम दिसंबर में है।

यह इस तरह का व्यवहार है जिसकी उम्मीद डार्क मैटर से की जा सकती है। यह माना जाता है कि यह मिल्की वे आकाशगंगा को कवर करने वाला एक व्यापक बादल बनाता है। इस बादल के माध्यम से एक पूरे के रूप में हमारा सौर मंडल चलता है। लेकिन अलग-अलग ग्रह सूर्य के चारों ओर अपनी कक्षीय गति के कारण अलग-अलग गति से बादल से गुजरते हैं। प्रस्तावित बादल के सापेक्ष पृथ्वी की गति जून में अधिकतम और दिसंबर में न्यूनतम अनुभव करती है। यह उस गति को निर्धारित करेगा जिस पर पृथ्वी पर स्थित डिटेक्टर के माध्यम से काले पदार्थ के कण उड़ते हैं।

इस बात से कोई इनकार नहीं करता है कि DAMA मौसमी मॉड्यूलेशन का पता बहुत ही सांख्यिकीय महत्व के साथ लगाता है। लेकिन कई अन्य कण स्रोत भी मौसम के कारण उतार-चढ़ाव करते हैं - उदाहरण के लिए, भूजल प्रवाह (पृष्ठभूमि रेडियोधर्मिता को प्रभावित करना) या वायुमंडल में कणों जैसे कणों का उत्पादन। नवीनतम अनुमानों के अनुसार, दुनिया भर की सीमाओं के पांच अन्य प्रयोग जो डीएएमए के दावों के अनुरूप नहीं हैं। परिणामों को सत्यापित करने का एकमात्र तरीका अन्य स्थानों में एक ही डिटेक्टर के साथ प्रयोग को दोहराना है, और ऐसे कई प्रयोग पहले से ही तैयार किए जा रहे हैं। उनमें से एक दक्षिणी ध्रुव पर स्थित होगा, जहां मौसमी स्थानीय प्रभाव चरण से बाहर हैं और इटली में मौजूद लोगों से अलग हैं।

काले पदार्थ का दूसरा पेचीदा संकेत अप्रत्यक्ष प्रयोगों से आया था, सीधे मायावी कणों की तलाश में नहीं, बल्कि द्वितीयक कणों के लिए जिन्हें वे एक दूसरे के साथ टकराव और बाद में विनाश के लिए उत्पन्न करने वाले थे। 2008 में, PAMELA डिटेक्टर (एंटीमैटर / मैटर एक्सप्लोरेशन एंड लाइट-न्यूक्लियर एस्ट्रोफिजिक्स के लिए पेलोड), रूसी उपग्रह रेसर्स-डीके पर स्थापित किया गया था, और रूस, इटली, जर्मनी और स्वीडन के विशेषज्ञों द्वारा बनाया गया था, एक अप्रत्याशित रूप से बड़ा देखा गया। पॉज़िट्रॉन की संख्या - एंटीमैटर में इलेक्ट्रॉनों के एनालॉग्स - अंतरिक्ष की गहराई से आ रही हैं। अवलोकन हाल ही में आईएसएस बोर्ड पर स्थित एक चुंबकीय अल्फा स्पेक्ट्रोमीटर द्वारा पुष्टि की गई थी। इस बीच, फ़ेरमी अंतरिक्ष गामा टेलीस्कोप ने आकाशगंगा के केंद्र से फैलने वाली गामा किरणों की बिखरी हुई चमक पर सूचना दी। इसका आकार काले पदार्थ से मेल खाता है - आकाशगंगा के केंद्र के संबंध में गोलाकार सममित, मध्य की ओर तीव्रता के साथ बढ़ रहा है।

सच होना भी लगभग अच्छा है। दुर्भाग्य से, पॉज़िट्रॉन और गामा किरणों की टिप्पणियों को भी तेजी से घूर्णन न्यूट्रॉन सितारों, मिलीसेकंड पल्सर द्वारा समझाया जा सकता है। पॉज़िट्रॉन के पैरामीटर अंधेरे पदार्थों के लिए उपयुक्त उम्मीदवारों के अनुरूप नहीं हैं। इस मामले से निपटने के लिए, यह जांचना आवश्यक है कि पॉज़िट्रॉन ज्ञात न्यूट्रॉन सितारों से दिशाओं से आते हैं या नहीं। गामा किरणों के उतार-चढ़ाव को पहले से ही आकाशगंगा के केंद्र में कई कमजोर पल्सर के लिए जिम्मेदार ठहराया गया है। इसके अलावा, अगर गामा किरणें डार्क मैटर से आती हैं, तो खगोलविदों को पड़ोसी बौनी आकाशगंगाओं से आने वाले एक समान सिग्नल का पता लगाना होगा, जिसमें हमारे मुकाबले काले पदार्थ का आनुपातिक रूप से बड़ा आयतन होता है। ऐसे किसी भी संकेत का पता नहीं चला।

अधिकांश खोज प्रयास सरलतम कण उम्मीदवारों पर ध्यान केंद्रित करते हैं, जिन्हें डब्ल्यूआईएमपी के रूप में जाना जाता है, जो बड़े पैमाने पर कणों को कमजोर करते हैं। यहां "कमजोर" शब्द का दोहरा अर्थ है: बातचीत मजबूत नहीं है, और तथाकथित के माध्यम से होती है। कमजोर परमाणु संपर्क । ऐसे कण कण भौतिकी में मानक मॉडल का एक स्वाभाविक विस्तार है। सभी विवरणों को जानने के बिना, क्रियाविशेषण "कमजोर रूप से" से आप समझ सकते हैं कि ब्रह्मांड में ऐसे कितने कण होने चाहिए। बिग बैंग के गर्म प्रागैतिहासिक सूप में, कणों को स्वाभाविक रूप से बनाया गया था और नष्ट कर दिया गया था। ब्रह्मांड के विस्तार के साथ, तापमान गिरता है, और विभिन्न प्रकार के कण, एक के बाद एक, द्रव्यमान पर निर्भर करते हैं, प्रकट होने के लिए संघर्ष करते हैं। पार्टिकल्स को बातचीत की ताकत के आधार पर एक गति से नष्ट किया जा सकता है, जब तक कि वे एक दूसरे के साथ टकराने के लिए बहुत कम वितरित किए जाते हैं।

WIMP इंटरैक्शन की शक्ति को देखते हुए, गणनाओं को अंजाम देना संभव है और यह पाया जा सकता है कि प्रारंभिक ब्रह्मांड की पुलाव में काले पदार्थ की एक नमूदार मात्रा दिखाई देनी चाहिए। परिणामस्वरूप कणों को प्रोटॉन से सैकड़ों गुना अधिक वजन करना चाहिए। स्टैंडर्ड मॉडल और सुपरसिमेट्री से जुड़ी गणनाओं से, डार्क मैटर कणों के लिए एक उपयुक्त पैरामीटर ज़ोन का अस्तित्व इस प्रकार है - इस तथ्य को "WIM चमत्कार" कहा जाता था।

लेकिन शायद यह मामला है जब एक बदसूरत तथ्य एक सुंदर परिकल्पना को मारता है। भौतिकविदों के बीच निराशा बढ़ रही है, और वे पहले से ही ऐसे विकल्प तलाश रहे हैं जिन्हें पहले दूसरे दर्जे का माना जाता था और अवसरों की संभावना नहीं थी।

शायद डार्क मैटर के कण बेहद भारी होते हैं। एक प्राकृतिक समझौता है - जितने बड़े पैमाने पर कण, खगोलविदों द्वारा देखे गए कुल द्रव्यमान से मेल खाने के लिए उन्हें कम की आवश्यकता होती है, इसलिए बहुत कम हो सकते हैं कि हमारे डिटेक्टर उन्हें नोटिस नहीं करते हैं। भौतिकविदों को एक पूरी तरह से अलग खोज रणनीति की आवश्यकता होगी, संभवतः पुराने न्यूट्रॉन सितारों या अन्य खगोलीय वस्तुओं पर इन कणों के प्रभाव से संबंधित है।

इसके विपरीत, हमारे डिटेक्टरों में निशान छोड़ने के लिए काले पदार्थ के कण बहुत हल्के हो सकते हैं। भौतिक विज्ञानी अपनी खोज के लिए हमारे पास पहले से मौजूद डिटेक्टर का उपयोग कर सकते हैं: सूर्य। अंधेरे पदार्थ के एक गांगेय बादल के माध्यम से आगे बढ़ने पर सूरज कणों को पकड़ सकता है। कण सूर्य में प्रोटॉन द्वारा बिखरे हुए हो सकते हैं और इसके तापमान चित्र को बदल सकते हैं। यह सूर्य की ऊपरी परतों में उठने, गिरने और मुड़ने वाले गैस भंवर की अशांत गति को प्रभावित करेगा। और हमें हेलिओसिज़्मोलॉजी की मदद से इसका पता लगाना चाहिए, एक ऐसा विज्ञान जो सूर्य के अंदर फैलने वाली गड़बड़ी और उसकी सतह पर उनके प्रभाव का अध्ययन करता है - ठीक उसी तरह जैसे भूकंप विज्ञान भूकंपों का अध्ययन करता है। यह पता चलता है कि हेलिओसिज़्मोलॉजी में अस्पष्टीकृत विसंगतियाँ हैं जो सूर्य के मानक मॉडल के साथ सामंजस्य स्थापित करना मुश्किल हैं।

यदि अंधेरे पदार्थ के कण धूप में जमा हो जाते हैं, तो वे इसके मूल में विलोपित कर सकते हैं। इससे उच्च-ऊर्जा न्यूट्रिनो की उपस्थिति होगी जो कि मध्य जापान में सुपर कमिओकांडे और दक्षिण ध्रुव पर आइसक्यूब जैसे डिटेक्टरों द्वारा देखा जा सकता है। अब तक, इस भूमिका के लिए उपयुक्त घटनाओं की कोई रिपोर्ट नहीं मिली है।

एक हल्के कण का सबसे चरम उदाहरण एक अक्षतंतु है , एक काल्पनिक कमजोर रूप से बातचीत करने वाला कण है, एक द्रव्यमान की तुलना में एक खरब गुना छोटा है। यह पूरी तरह से अंधेरा नहीं होगा, लेकिन विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के साथ बातचीत करेगा और मजबूत चुंबकीय क्षेत्रों के गर्त के अंदर माइक्रोवेव फोटॉन बनाने में सक्षम होगा। एक्सियन का पता लगाने की कोशिश कर रहे प्रयोग 1980 के दशक से काम कर रहे हैं, और उनके पास WIMP डिटेक्टरों की तुलना में अधिक सफलताएं नहीं हैं।

शायद एक अंधेरा कण एक कण नहीं है, लेकिन एक "कण", जैसा कि एक सिद्धांतकार ने कहा। गैर-कण विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के दूर के रिश्तेदार हैं, जिनकी ऊर्जा को अलग-अलग पैकेट में विभाजित नहीं किया गया है। वे कोलाइडर डेटा में अप्रत्यक्ष निशान छोड़ सकते हैं। शायद काले पदार्थ का सार एकमात्र समाधान नहीं है। आखिरकार, साधारण पदार्थ में भी कई प्रकार के कण होते हैं। डार्क मैटर में कई प्रतिभागी भी शामिल हो सकते हैं, जो खोज को जटिल बना देगा, क्योंकि कणों के लिए किसी विशेष उम्मीदवार के कथित संकेत धुंधला हो जाएंगे। शायद डार्क मैटर गुरुत्वाकर्षण को छोड़कर बिल्कुल भी इंटरैक्ट नहीं करता है। इससे प्रयोगकर्ताओं का जीवन एक दुःस्वप्न के और भी करीब आ जाएगा।

एक मायने में, हम एक ऐसी स्थिति में हैं जिसका वैज्ञानिक सपना देख रहे हैं। पुराने विचार काम नहीं करते हैं, और नए लोगों की आवश्यकता होती है। वे नए प्रकार के कणों के अध्ययन के कारण प्रकट हो सकते हैं, या हम गुरुत्वाकर्षण के एक नए सुसंगत सिद्धांत की खोज कर सकते हैं, जो हमें अंधेरे पदार्थ को छोड़ने की अनुमति देता है।

लेकिन निरंतर चिंता यह है कि प्रकृति ने नई भौतिकी को छिपा दिया जहां हम इसे नहीं पा सकते हैं। और यद्यपि हमने अभी तक WIMP को खोजने के प्रयासों को पूरी तरह से समाप्त नहीं किया है, प्रयोग अधिक सक्षम नहीं हैं। जितने संवेदनशील वे डार्क मैटर के हो जाते हैं, उतने ही संवेदनशील वे कचरा कणों में होते हैं, और हमेशा एक दूसरे से अलग नहीं हो सकते। विकास की वर्तमान दर पर, दस वर्षों में वे सूर्य द्वारा उत्सर्जित न्यूट्रिनों, या पृथ्वी की वायुमंडल से टकराती हुई कॉस्मिक किरणों द्वारा अंधा हो जाएंगे।


सूरज अंधेरे पदार्थ का एक प्राकृतिक डिटेक्टर हो सकता है। अंधेरे पदार्थ के प्रभाव में सूर्य की परतों की संरचना में परिवर्तन का पता खगोलविदों द्वारा लगाया जा सकता है। लाल रंग की तस्वीर उन क्षेत्रों को दिखाती है जो हमसे दूर जा रहे हैं, और नीले रंग में - करीब आ रहे हैं।

इस मामले में, हम अभी भी अप्रत्यक्ष पहचान प्रयासों को जारी रख सकते हैं। सबसे आशाजनक में से एक चेरनकोव टेलीस्कोप ऐरे है , जो चिली में और पाल्मा द्वीप पर स्थित सैकड़ों से अधिक दूरबीनों का एक संग्रह है। अन्य कार्यों में, वह गामा किरणों की खोज करेगा जो हमारे और अन्य आकाशगंगाओं में काले पदार्थ के कणों के विनाश में दिखाई देती हैं। लेकिन कुछ बिंदु पर, यह खोज रणनीति एक और समस्या में चलेगी: लागत। अब तक, डार्क मैटर डिटेक्टर बुनियादी भौतिक प्रयोगों में सबसे किफायती हैं, लेकिन अगर हमें उनके आकार, संवेदनशीलता और जटिलता को बढ़ाने की आवश्यकता है, तो उनकी लागत लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (लगभग 7 बिलियन डॉलर) और दूरबीन जैसे राक्षसों से अधिक हो सकती है। जेम्स वेब (लगभग $ 8 बिलियन), सफलता की कोई गारंटी के बिना - और राजनेताओं को बेचना बहुत कठिन है।

डार्क मैटर कणों की खोज के लिए सबसे अच्छा उपकरण एक नया कोलाइडर होगा। तीन दशकों में, भौतिकविदों ने एक कोलेडर बनाने की योजना बनाई है जो कई बार एलएचसी को शक्ति से अधिक है। अनुसंधान चीन और यूरोप दोनों में आयोजित किया जा रहा है। मोटे अनुमान के मुताबिक, आज के डॉलर की कीमत 25 बिलियन डॉलर होगी। यह वास्तविक हो सकता है यदि लोड समय के साथ और कई देशों के बीच वितरित किया जाता है। लेकिन वह सीमा होने की संभावना है। यहां तक ​​कि अगर भौतिकविदों के पास असीमित संसाधन थे, तो कुछ बड़ा निर्माण करने से कोई लाभ नहीं होगा। इसके अलावा, कोई भी अज्ञात कण इतने बड़े पैमाने पर होगा कि बिग बैंग बस उन्हें पर्याप्त मात्रा में उत्पन्न नहीं कर सकता था।

इन सभी अविश्वसनीय प्रयासों के बावजूद, हम संकेतों का पता नहीं लगा सकते हैं। यह एक बल्कि धूमिल संभावना है। शायद कोई डार्क मामला नहीं है। हम जीआर से विचलन की तलाश जारी रखते हैं। अब तक एक भी नहीं मिला है। इसके विपरीत, 2016 में गुरुत्वाकर्षण तरंगों के माध्यम से ब्लैक होल की खोज ने आइंस्टीन के सिद्धांत का समर्थन किया - और, परिणामस्वरूप, अंधेरे पदार्थ का अस्तित्व।

लेकिन इसके सकारात्मक पहलू भी हैं। प्रकृति के अंधेरे पक्ष से संबंधित आश्चर्यजनक रहस्य और खोजें हो सकती हैं जिन्हें हमने कभी इन खोजों के लिए नहीं ठोकर खाई होगी। जबकि हम कणों की तलाश कर रहे हैं। और हमारे पास आगे बढ़ने के अलावा कोई चारा नहीं है।

जोसेफ सिल्क ऑक्सफोर्ड विश्वविद्यालय में एक कॉस्मोलॉजिस्ट हैं, जो पेरिस और यूनिवर्सिटी में एस्ट्रोफिजिक्स संस्थान में भी काम करते हैं। जॉन हॉपकिंस। विकिरण को राहत देने और ब्रह्मांडीय संरचना के क्षेत्र में अनुसंधान के पायनियर।