काले पदार्थ के अस्तित्व के लिए प्रायोगिक गठबंधन

अंधेरे पदार्थ के अस्तित्व के संकेतों का एक संक्षिप्त अवलोकन - संकेत (जिनमें से दो आकाश में पाए गए थे, और चार - भूमिगत), जिसका अर्थ हो सकता है कि ये अंधेरे पदार्थ कण कुछ दिलचस्प में लगे हुए हैं। संकेतों की एक जोड़ी सच हो सकती है, लेकिन सभी छह नहीं, क्योंकि उनमें से कुछ एक-दूसरे के विपरीत हैं। यह आपको चिंता नहीं करनी चाहिए: उन्नत विज्ञान के लिए एक समान स्थिति पूरी तरह से सामान्य है; अनुसंधान एक जटिल मामला है, और कुछ अद्भुत बारीकियों के लिए सभी प्रकार की बारीकियां हैं - सांख्यिकीय दुर्घटनाएं, अज्ञात विषमताएं, माप समस्याएं, या बस तुच्छ त्रुटियां। उदाहरण के लिए, हिग्स कण के मामले में, हमारे पास कई झूठे अलार्म थे, आखिरकार, अलार्म सच हो गया। इसलिए हमें धैर्य और सावधानी बरतने की ज़रूरत है, और आशा नहीं खोनी चाहिए; खोज दुर्लभ हैं, लेकिन होती हैं।

डार्क मैटर ओवरहेड

Fermi उपग्रह से प्राप्त जानकारी से संकेत मिलता है कि कुछ ऊर्जाओं के फोटोन की एक धारा (लगभग 135 GeV, जो कि एक प्रोटॉन की तुलना में लगभग 143 गुना अधिक ऊर्जा होती है) गैलेक्सी के केंद्र से निकलती है। यह संभावित रूप से डार्क मैटर कणों की उपस्थिति का संकेत हो सकता है (गैलेक्सी के केंद्र में एक सर्कल में धीरे-धीरे आगे बढ़ने वाले इन कणों में से कई होना चाहिए), जो एक दूसरे से टकराते हैं, सत्यानाश करते हैं और फोटॉन में बदल जाते हैं।

संक्षेप में, यह कुछ इस तरह से होता है: ऊर्जा संरक्षण कानून यह सुनिश्चित करता है कि दो विनाशकारी काले पदार्थ कणों की ऊर्जा (ज्यादातर जन ऊर्जा के रूप में दर्शायी जाती है, क्योंकि गहरे पदार्थ कण गैलेक्सी में बहुत धीरे-धीरे चलते हैं) दो फोटॉनों की गति की ऊर्जा में बदल जाती है - इसलिए, ऊर्जा प्रत्येक फोटॉन एक गहरे पदार्थ के द्रव्यमान के बराबर होता है जिसे c ^{2 से} गुणा किया जाता है।

क्या मुझे इस तथ्य के बारे में चिंता करने की ज़रूरत है कि यह संकेत ऐसा नहीं हो सकता है जो ऐसा लगता है? एक छोटी समस्या यह है कि एक मानक WIMP (एक कमजोर परमाणु बातचीत के माध्यम से पदार्थ के साथ बातचीत करने वाला एक विशाल कण) अन्य संकेतों को दिए बिना ऐसा संकेत नहीं दे सकता है जिसे हमें भी देखना होगा (उदाहरण के लिए, कम ऊर्जा के प्रोटॉन की एक बड़ी संख्या) । लेकिन WIMPs की लोकप्रियता थोड़ा अतिरंजित है, और अन्य प्रकार के अंधेरे पदार्थ कण हैं, जो सिद्धांतकारों ने कई वर्षों से कल्पना की है, वे सब कुछ आवश्यक करने में काफी सक्षम हैं।

अधिक गंभीर चिंताएं यह हैं कि सिग्नल सिर्फ गैलेक्सी के केंद्र से नहीं आ रहा है, यह पृथ्वी के अंग के किनारे से भी आ रहा है, और संभवतः सूर्य भी। काले पदार्थ के सर्वनाश से इस तरह के व्यवहार की उम्मीद नहीं की जानी चाहिए। और यह तथ्य कि यह संकेत ऐसी अजीब जगहों पर दिखाई देता है, जहां यह उम्मीद नहीं की गई थी कि इसका मतलब यह हो सकता है कि यह सब फर्मी फोटॉन डिटेक्टर के साथ सिर्फ एक स्पष्ट समस्या है। किसी को अभी तक पता नहीं है।

एक और उदाहरण। आईएसएस पर काम कर रहे चुंबकीय अल्फा स्पेक्ट्रोमीटर (इंजी। अल्फा मैग्नेटिक स्पेक्ट्रोमीटर, एएमएस) के साथ प्रयोग में, यह हाल ही में एक बड़ी "खोज" की घोषणा की गई थी (हालांकि अधिकांश प्रेस विज्ञप्ति में यह उल्लेख करना भूल गए कि उन्होंने बस पुष्टि की है कि पैमाइल प्रयोग पहले ही खुल चुका था। 2008 में)। PAMELA की खोज की, और AMS ने पुष्टि की, और बहुत अधिक विस्तार से अध्ययन किया कि बाहरी अंतरिक्ष में उच्च-ऊर्जा वाले पॉज़िट्रॉन की एक बहुत अधिक मात्रा है, जिसकी अपेक्षा की जाएगी (पॉज़िट्रॉन इलेक्ट्रॉनों के एंटीपार्टिकल्स हैं)। "अतिरिक्त" पॉज़िट्रॉन के लिए, ऊर्जाएं 10 GeV से कम से कम 350 GeV तक भिन्न होती हैं - और AMS डेटा हमारे आगे नहीं बढ़ता है।

यह संभव है कि ये पॉज़िट्रॉन अंधेरे पदार्थ के कणों के विनाश के कारण दिखाई दिए। लेकिन यदि ऐसा है, तो यह उसी प्रकार के टीएम कण नहीं हो सकते हैं जैसे कि गैलेक्सी के केंद्र में फर्मी प्रयोग देखता है। AMS से संकेत के लिए जिम्मेदार किसी भी TM कण में 350 GeV ऊर्जा पॉज़िट्रॉन का उत्सर्जन करने के लिए 350 से अधिक GeV / s ² का द्रव्यमान होगा, जबकि अगर Fermi देखता है कि फोटॉन ठीक TM कण पैदा करते हैं, तो ऐसे कण कभी नहीं होंगे 135 GeV से ऊपर ऊर्जा के साथ एक पॉज़िट्रॉन का उत्पादन करेगा। यह केवल ऊर्जा के संरक्षण से होता है; यदि दो विनाशकारी TM कणों में से प्रत्येक का द्रव्यमान 135 GeV / s ^{2 है} और वे धीरे-धीरे पर्याप्त गति करते हैं, जिसके कारण उनकी गति की ऊर्जा काफी छोटी है, तो विनाश में प्राप्त इलेक्ट्रॉनों और पॉज़िट्रॉन में 135 GeV से अधिक ऊर्जा नहीं हो सकती है। इसलिए फर्मी और एएमएस दोनों टीएम की उपस्थिति के प्रभाव को नहीं देख सकते - उनमें से कम से कम एक और कुछ देखता है।

जैसा कि उन्होंने 2008 में कहा था (और AMS के साथ प्रयोग करने वाले सावधान हैं), उन पॉज़िट्रॉन को जो PAMELA ने देखा और फिर जो AMS अब देख रहा है, वह ज्योतिषीय प्रभाव से उत्पन्न हो सकता है, उदाहरण के लिए, एक पास पल्सर (एक तेजी से घूमता तारा) शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्र, जो एक प्राकृतिक कण त्वरक के रूप में काम कर सकता है और अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन जोड़े का स्रोत बन सकता है)। और जैसा कि 2008 से सभी जानते हैं (और कि एम्स के साथ प्रयोग करने वालों को स्वीकार नहीं करना पड़ता था), सुपरसिमेट्री (या किसी अन्य विम्प्स) के साथ सिद्धांतों द्वारा भविष्यवाणी की गई सबसे सरल न्यूट्रेलिनो ऐसे शक्तिशाली संकेतों का उत्पादन नहीं कर सकते, जब तक कि अभी भी एक अज्ञात बल सक्षम न हो। सत्यानाश की दर में वृद्धि। और फिर भी, हम ऐसे पॉज़िट्रॉन को अन्य संकेतों के बिना नहीं देखेंगे - जब तक हम यह नहीं मान लेते कि यह टीएम बहुत ही उत्कृष्ट किस्म का है। बकाया सिद्धांत अपने तरीके से शांत हैं, लेकिन ऐसे मामलों में टीएम कण सुपरसिमेट्रीज़ के साथ सरल नहीं हैं जो एएमएस के बारे में लेखों में उल्लेख किए गए थे।

डार्क मामला अंडरफुट

चलिए जारी रखते हैं। क्या किसी को DAMA प्रोजेक्ट (अब DAMA / LIBRA ) याद है? वे दावा करते हैं कि दस साल से अधिक समय तक काले पदार्थ के अस्तित्व का सबूत है! और उनके पास वास्तव में किसी प्रकार का संकेत है! शायद डार्क मैटर से, या शायद नहीं।

आप देखते हैं, टीएम खोजने के लिए डोडी तरीकों में से एक यह है कि आप इसे ढूंढने दें। बस एक टुकड़ा या ध्यान से चयनित और परिष्कृत गहरी शाफ्ट में बैरल की जगह रखें। (जमीन में उतरना कॉस्मिक किरणों के प्रभाव को कम करता है - गहरे स्थान से उच्च ऊर्जा वाले कण)। चूंकि एचएम को सामान्य पदार्थ के माध्यम से दाएं गुजरना चाहिए, और शायद ही कभी निशान छोड़ दें, एचएम कणों की एक धारा पत्थर के माध्यम से, शाफ्ट में और सामग्री के बैरल के माध्यम से प्रवाहित होगी। और यदि आप बहुत रोगी हैं, तो इनमें से एक टीएम कण आपकी सामग्री के अंदर परमाणु नाभिक से टकरा सकता है, और यह किक आपके लिए इतनी जोर से बन सकती है कि आप इसका पता लगाने में सक्षम हो सकें यदि आपने एक मुश्किल प्रयोग किया है। यह वही है जो DAMA, XENON, CoGeNT, CRESST, CDMS, और अन्य प्रयोगों का एक समूह कर रहे हैं - और वे काफी समय से कर रहे हैं।



लेकिन ऐसा करने के लिए कहना कठिन है। रेडियोधर्मिता - एक प्रक्रिया जिसमें एक परमाणु नाभिक एक या दो उच्च-ऊर्जा कणों को थूक कर अपना प्रकार बदलता है - एक टीएम कण के प्रभावों की नकल कर सकता है। (एक प्रक्रिया जो आपके "सिग्नल" की नकल करती है — आप जो पता लगाने की कोशिश कर रहे हैं - उसे "पृष्ठभूमि" कहा जाता है)। टीएम कणों का पता लगाने में पृष्ठभूमि अक्सर सिग्नल की तुलना में अधिक मजबूत होती है, और प्रयोग करने वालों को सभी संभव पृष्ठभूमि को समझने की आवश्यकता होती है, बहुत अच्छी तरह से अगर वे कुछ छोटे का पता लगाना चाहते हैं।

लेकिन अब, DAMA पर लौटते हुए, लानत की श्रृंखला से क्या किया जा सकता है। वर्ष के दौरान, पृथ्वी सूर्य के चारों ओर घूमती है, और टीएम कणों के औसत वेग के सापेक्ष इसकी गति बदल जाती है। ऐसा लगता है कि यदि आप एक घुमावदार दिन पर रिंग ट्रैक के साथ साइकिल चलाते हैं, तो कभी-कभी हवा आपके चेहरे पर उड़ जाएगी और कभी-कभी यह आपको पीछे धकेल देगी। जिस तरह आप ट्रैक को घेरते हैं उसी तरह हवा की ताकत भी बदल जाती है, टीएम से "हवा" की गति पूरे वर्ष में बदल जाती है। और यदि टीएम कण नाभिक के साथ बातचीत करते हैं, तो संभावना उनमें से दो की सापेक्ष गति पर निर्भर करती है (जो कि टीएम क्या है, इसके कई रूपों में किया जाता है), तो प्रयोग में मापा गया टीएम के साथ टकराव की संख्या प्रति वर्ष चक्र के साथ बढ़नी और घटनी चाहिए। ।



इसलिए कई टकरावों के संकेतों की तलाश करने के बजाय, जो केवल रेडियोधर्मिता का परिणाम हो सकता है जो आपको समझ में नहीं आया, आपको एक वर्ष के दौरान टकरावों की संख्या में भिन्नता देखने की आवश्यकता हो सकती है! यदि आप खुद को समझाते हैं कि रेडियोधर्मिता और अकेले अन्य पृष्ठभूमि का वार्षिक चक्र नहीं हो सकता है, तो इस प्रकार के किसी भी उतार-चढ़ाव का स्पष्ट प्रमाण टीएम है। जिस तरह तेज हवा में एक साइकिल चालक बहुत तेज हवा महसूस करता है, जब उसकी ओर यात्रा करते हैं, और दूसरी दिशा में यात्रा करते समय कमजोर होते हैं, इसलिए सूर्य के चारों ओर कक्षा में पृथ्वी वर्ष के दौरान टीएम के पास के कणों के सापेक्ष उच्च या निम्न गति से चलती है। । यह टीएम के साथ टकरावों की संख्या का एक निर्धारण हो सकता है, पूरे वर्ष में चक्रीय रूप से बदल सकता है।

दुर्भाग्य से, भले ही यह सुंदर लगता है, पृष्ठभूमि की घटनाएं वास्तव में पूरे वर्ष में चक्रीय रूप से बदल सकती हैं, संभवतः इस तथ्य के कारण कि छोटे तापमान में बदलाव से कम या ज्यादा रेडियोधर्मी गैसें खदान में फैल सकती हैं, या ऐसा ही कुछ। । इसलिए, हालांकि DAMA / LIBRA के डेटा अनायास ही TM के लिए उम्मीदवार कणों के टकराव की संख्या में उतार-चढ़ाव को प्रदर्शित करते हैं, यह अभी भी पूरी तरह से स्पष्ट नहीं है कि क्या यह TM है। अब तक, कोई भी उनके संकेतों की पुष्टि नहीं कर पाया है, लेकिन कोई भी यह साबित नहीं कर पाया है कि यह एक गलत अलार्म है।

DAMA / LIBRA केवल एक ही नहीं है। हाल ही में, CoGeNT प्रयोग ने संभावित टकरावों की अधिकता की खोज की सूचना दी, जिनमें से, DAMA / LIBRA की तरह, पूरे वर्ष में उतार-चढ़ाव होता है।

और यह सब नहीं है। CRESST प्रयोग ने अपने डिटेक्टरों में परमाणु नाभिक हड़ताली TM कणों के लिए उम्मीदवारों के एक समूह को ठीक करने की सूचना दी। कई संभावित प्रभाव हैं जो इस प्रकार के उम्मीदवारों को दे सकते हैं - लेकिन, उनके अनुसार, यदि आप इन सभी प्रभावों को एक साथ जोड़ते हैं, तो आपको लगभग 42 उम्मीदवार मिलेंगे, और वे पहले से ही 67 देख चुके हैं, जो 4 मानक विचलन से अधिक है, जो कि बहुत मजबूत सबूत है कुछ याद आ रहा है।

अंत में, एक और संकेत: सीडीएमएस प्रयोग ने अपने सिलिकॉन टुकड़ों में टीएम टकराव के लिए तीन उम्मीदवारों को ठीक करने की सूचना दी। उनके पास सिलिकॉन और जर्मेनियम आधारित डिटेक्टर हैं। सिलिकॉन डिटेक्टरों के डेटा के आधार पर एक नया परिणाम प्राप्त किया गया था। चूंकि सिलिकॉन कोर जर्मेनियम कोर की तुलना में बहुत हल्का है, इसलिए एचएम के हल्के कणों से टकराव के लिए सिलिकॉन बेहतर प्रतिक्रिया देता है। और यह बहुत दिलचस्प है!

लेकिन, जैसा कि वे ध्यान से बताते हैं, परिणाम को निर्णायक कहना मुश्किल है। यह लगभग निश्चित रूप से पृष्ठभूमि प्रभावों का परिणाम नहीं है। पहली नज़र में, यह स्पष्ट नहीं है; उन्हें ज्ञात पृष्ठभूमि को औसतन केवल आधे टकरावों को छोड़ देना चाहिए, और इन तीन घटनाओं को प्राप्त करने की संभावना लगभग 5% है - यह पूरी तरह से असंभव नहीं है, यह देखते हुए कि प्रयोग में कितनी असंभव चीजें हो सकती हैं। लेकिन जब वे इन टक्कर के उम्मीदवारों की ऊर्जा को ध्यान में रखते हैं, तो संभावना 0.2% तक गिर जाती है। और फिर मामला गंभीर हो जाता है। लेकिन याद रखें: इसका मतलब यह है कि या तो (ए) उन्होंने टीएम की खोज की, या (बी) उन्होंने एक झूठी संकेत देने वाली अभी भी अज्ञात पृष्ठभूमि गतिविधि की खोज की।

यदि आप इन चारों प्रयोगों को एक साथ करते हैं, तो खबर अच्छी और बुरी है। अच्छी खबर यह है कि ये सभी चार प्रयोग - DAMA / LIBRA, CRESST, CoGeNT और CDMS - 10 GeV / s ² की सीमा में कहीं स्थित TM कणों के अनुरूप हैं।

मध्यम रूप से बुरी खबर यह है कि चार आयाम सुसंगत नहीं हैं; एक निश्चित द्रव्यमान के टीएम कणों की बातचीत की संभावना से, प्रयोगों से निम्नलिखित संयोग नहीं होता है, और दस गुना तक भिन्न होता है। यह नीचे दिए गए आंकड़े में दिखाया गया है (सीडीएमएस काम से लिया गया है), जहां यह दिखाया गया है कि चार प्रयोगों के अवलोकनों से जुड़े चार अलग-अलग बैंड आमतौर पर ओवरलैप नहीं होते हैं। इसका मतलब है कि इनमें से कम से कम दो प्रयोग झूठे अलार्म होने चाहिए।


आकृति टीएम कण (क्षैतिज अक्ष) के द्रव्यमान और साधारण पदार्थ (ऊर्ध्वाधर अक्ष) के साथ बातचीत की संख्या के रूप में अनुमेय और अस्वीकार्य वर्गों (90% सटीकता के साथ) को दिखाती है। DAMA / LIBRA, CRESST, और COGeNT को क्रमशः पीले, भूरे और गुलाबी रंग में दिखाया गया है। नए सीडीएमएस परिणाम सियान और नीले रंग में दिए गए हैं; काले तारांकन सबसे अच्छा सन्निकटन है। ध्यान दें कि ऐसे कोई बिंदु नहीं हैं जहाँ तीन या चार खंड एक साथ प्रतिच्छेद करेंगे। इस मामले में, विश्लेषण का परिणाम XENON10 और XENON100 प्रयोगों में हल्के हरे और गहरे हरे रंग की लाइनों के ऊपर स्थित सभी क्षेत्रों को बाहर करना है, जिसमें सभी चार अन्य प्रयोग शामिल हैं।

एक और प्रयोग के परिणामों से बहुत बुरी खबरें निकलती हैं, जो (प्रतीत होता है) इन प्रयोगों के किसी भी अन्य की तुलना में इस प्रकार के टीएम के कणों के प्रति अधिक संवेदनशील होना चाहिए। मेरा मतलब है XENON100। XENON100 में अधिकांश संकेतों के लिए, बहुत सारे उम्मीदवार कार्यक्रम होने थे, दर्जनों या अधिक। लेकिन अभी तक केवल दो ने इसे देखा है। और यह पता चला है कि इन सभी संकेतों को एक्सएएनओएन 100 प्रयोग द्वारा बाहर रखा गया है, साथ ही साथ अपने पूर्ववर्ती एक्सएएनओएन 10 के एक विशेष विश्लेषण द्वारा। कोई इस तथ्य के बारे में तर्क दे सकता है कि CoGeNT और CDMS के परिणाम मुश्किल से मना किए जाते हैं, और इसलिए शायद उन्हें अभी भी गंभीरता से लिया जाना चाहिए।

लेकिन यह चौकाने वाला तथ्य यह है कि इन सभी भूमिगत प्रयोगों में, एक छोटे से अप्रकाशित पृष्ठभूमि को कई अतिरिक्त कम-ऊर्जा टक्कर वाले उम्मीदवारों के रूप में स्वयं को प्रकट करना चाहिए, जो कि बहुत अधिक समान होगा जो कम-द्रव्यमान कणों से उम्मीद की जा सकती है।

शिकागो विश्वविद्यालय में CoGeNT प्रयोग के प्रमुख प्रोफेसर जुआन कोलार्ड के रूप में, कई साल पहले न्यूयॉर्क में CUNY साइंस सेंटर में एक सम्मेलन में कहा, TM खोजने के बारे में गाथा एक अप्रत्याशित पृष्ठभूमि की खोज के बाद एक लंबा इतिहास होने की संभावना है - और यह कहानी आगे बढ़ सकती है काफी लंबे समय से, जब तक कि टीएम वास्तव में नहीं पाए जाते हैं, अगर इन प्रयोगों में से एक में। और यह कई झूठे अलार्म में परिलक्षित होता है जिसे हमने हाल ही में देखा है। दिलचस्प बात यह है कि CoGeNT को एक संकेत मिलने के बाद कोलार्ड ने इस तरह के बयान देना बंद कर दिया, जिसे टीएम के रूप में व्याख्या किया जा सकता है। लेकिन याद रखें कि आपने क्या कहा था, जुआन। हमें याद है।

इस बीच, यह ऐसे रहस्यों के लिए है जो सैद्धांतिक भौतिक विज्ञानी रहते हैं। पहेली! कॉल करें! TM सिद्धांत का आविष्कार करें ताकि CDMS और CoGeNT प्रयोग आसानी से इसके प्रभावों का पता लगा सकें, लेकिन XENON100 नहीं कर सकता! प्रयोग अलग तरह से काम करते हैं - CDMS और CoGeNT में क्रमशः सिलिकॉन और जर्मेनियम के टुकड़े होते हैं, और XENON100 उपयोग होते हैं - एक आश्चर्य! - क्सीनन का एक बैरल। इस विषय पर पहले से ही कई काम हैं। सबसे अधिक संभावना है कि यह पता चलता है कि XENON100 सही है, जबकि CDMS और CoGeNT कुछ पृष्ठभूमि का अवलोकन कर रहे हैं। लेकिन, शायद, सब कुछ बिल्कुल विपरीत होगा।

संक्षेप में: टीएम के अस्तित्व के लिए हमारे पास कम से कम छह गठबंधन हैं, जो कि अधिकांश भाग के लिए एक दूसरे के अनुरूप नहीं हैं। नए CDMS संकेत मोटे तौर पर CoGeNT से मेल खाते हैं; लेकिन अगर वे दोनों टीएम देखते हैं, तो XENON100 एक मजबूत संकेत क्यों नहीं देखता है? ये सभी प्रयोग अपने तरीकों और मापों को बेहतर बनाने के लिए काम कर रहे हैं, इसलिए यदि इनमें से कुछ संकेत वास्तव में टीएम के संकेत साबित होते हैं, तो हम जल्द ही प्रभावशाली साक्ष्य के अधिक उदाहरण देखेंगे।