नए शोध से पता चलता है कि डार्क मैटर बहुत भारी नहीं हो सकता है या यह ब्रह्मांड के हमारे सर्वोत्तम मॉडल को तोड़ सकता है।
हमारे पास इस बात के प्रचुर सबूत हैं कि ब्रह्मांड में कुछ गड़बड़ हो रही है। आकाशगंगाओं के भीतर तारे बहुत तेज़ी से परिक्रमा करते हैं। आकाशगंगाएँ गुच्छों के अंदर बहुत तेजी से घूमती हैं। संरचनाएँ बहुत तेज़ी से बढ़ती और विकसित होती हैं। यदि हम केवल उन पदार्थों को गिनें जिन्हें हम देख सकते हैं, तो इन सभी व्यवहारों को समझाने के लिए पर्याप्त गुरुत्वाकर्षण नहीं है।
ब्रह्माण्ड विज्ञानियों के विशाल बहुमत का मानना है कि इन सभी घटनाओं को डार्क मैटर की उपस्थिति के माध्यम से समझाया जा सकता है, पदार्थ का एक काल्पनिक रूप जो विशाल, विद्युत रूप से तटस्थ है और शायद ही कभी, सामान्य पदार्थ के साथ बातचीत करता है। यह काला पदार्थ ब्रह्मांड में अधिकांश द्रव्यमान का निर्माण करता है, जो कि चमकदार पदार्थ की मात्रा से कहीं अधिक है।
डार्क मैटर की पहचान एक रहस्य बनी हुई है, क्योंकि एक भटकती, दुर्लभ टक्कर का पता लगाने के लिए किए गए प्रयोग कुछ भी हासिल करने में विफल रहे हैं। लेकिन इन प्रयोगों ने एक विशिष्ट द्रव्यमान सीमा को लक्षित करने पर ध्यान केंद्रित किया है: लगभग 10 से 1,000 गीगा-इलेक्ट्रॉन वोल्ट (GeV)। (एक GeV 1 बिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट के बराबर है।) यह W बोसोन और शीर्ष क्वार्क जैसे सबसे भारी ज्ञात कणों की सीमा में है। दशकों तक, सिद्धांतकारों ने इस द्रव्यमान सीमा का समर्थन किया क्योंकि कण भौतिकी के मानक मॉडल के कई सरल विस्तारों ने ऐसे कणों के अस्तित्व की भविष्यवाणी की थी।
हालाँकि, हमें अभी तक कुछ भी नहीं मिला है, इसलिए हमने आश्चर्य करना शुरू कर दिया है कि क्या डार्क मैटर जितना हमने सोचा था उससे अधिक हल्का या भारी हो सकता है। लेकिन प्रीप्रिंट डेटाबेस arXiv पर प्रकाशित एक नए पेपर के अनुसार, भारी डार्क मैटर कुछ गंभीर समस्याओं का कारण बनता है।
समस्या यह है कि डार्क मैटर कभी-कभी, भले ही कभी-कभार, सामान्य मैटर के साथ इंटरैक्ट करता है। लेकिन प्रारंभिक ब्रह्मांड में, जब ब्रह्मांड बहुत अधिक गर्म और सघन था, ये अंतःक्रियाएँ बहुत अधिक बार होती थीं। अंततः, जैसे-जैसे ब्रह्मांड का विस्तार हुआ और ठंडा हुआ, ये अंतःक्रियाएं धीमी हो गईं और फिर बंद हो गईं, जिससे डार्क मैटर “जम गया” और पृष्ठभूमि में चुप हो गया।
जबकि संभावित डार्क मैटर उम्मीदवारों के कई, कई मॉडल हैं, उनमें से कई हिग्स बोसोन से जुड़े आदान-प्रदान के माध्यम से नियमित कणों के साथ बातचीत करते हैं – एक मौलिक कण जो लगभग सभी अन्य कणों के साथ बातचीत करता है और, उन बातचीत के माध्यम से, उन कणों को द्रव्यमान से भर देता है।
हम हिग्स बोसोन का द्रव्यमान जानते हैं: लगभग 125 GeV। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह द्रव्यमान अधिकांश डार्क मैटर उम्मीदवारों के संभावित द्रव्यमान पर एक मौलिक ऊपरी सीमा लगाता है।
समस्या यह है कि भौतिकी में सभी अंतःक्रियाएँ दो-तरफ़ा हैं। हिग्स डार्क मैटर और रेगुलर मैटर दोनों से बात करता है और, कई मॉडलों में, उनके बीच बातचीत में मध्यस्थता करता है। लेकिन दोनों तरह के मामले हिग्स की ओर भी बात करते हैं। ये अंतःक्रियाएं हिग्स बोसोन के द्रव्यमान में मामूली संशोधन के रूप में दिखाई देती हैं।
मानक मॉडल कणों के लिए, हम इन सुधारों और फीडबैक इंटरैक्शन की गणना कर सकते हैं, इस प्रकार सिद्धांतकारों ने हिग्स बोसोन के द्रव्यमान का पता चलने से पहले ही इसकी भविष्यवाणी कर दी थी।
शोधकर्ताओं ने पाया कि यदि डार्क मैटर कण का द्रव्यमान कुछ हजार GeV से अधिक होता, तो हिग्स द्रव्यमान में इसका योगदान अविश्वसनीय रूप से महत्वपूर्ण होता, जो इसे इसके देखे गए मूल्य से दूर कर देता। और क्योंकि हिग्स कई अन्य मौलिक भौतिकी को निर्धारित करने के लिए बहुत केंद्रीय है, यह अनिवार्य रूप से कण इंटरैक्शन को पूरी तरह से बंद कर देगा।
हालाँकि, इस प्रतिबंध से निजात पाने की संभावनाएँ हैं। डार्क मैटर नियमित कणों के साथ बिल्कुल भी इंटरैक्ट नहीं कर सकता है, या इंटरेक्शन किसी विदेशी तंत्र के माध्यम से हो सकता है जिसमें हिग्स शामिल नहीं है। लेकिन वे मॉडल कम और बहुत दूर के हैं और उन्हें बहुत अधिक फाइन-ट्यूनिंग और अतिरिक्त कदमों की आवश्यकता होती है।
या यह हो सकता है कि डार्क मैटर जितना हमने सोचा था उससे कहीं अधिक हल्का हो। यदि हमें नहीं लगता कि भारी डार्क मैटर एक व्यवहार्य उम्मीदवार है, तो जैसे-जैसे हम ब्रह्मांड के इस रहस्यमय घटक के बारे में सीखना जारी रखते हैं, हम इसके बजाय अपने प्रयासों को दूसरी दिशा में केंद्रित कर सकते हैं। पहले से ही अक्षों, अल्ट्रालाइट कणों में रुचि बढ़ी है, जिनकी भविष्यवाणी कुछ कण भौतिकी मॉडल में की गई है और यह एक व्यवहार्य डार्क मैटर उम्मीदवार हो सकता है।
प्रयोगात्मक पक्ष पर, यदि इस परिणाम की पुष्टि हो जाती है और यह डार्क मैटर कण द्रव्यमान पर व्यापक प्रतिबंध लगाता है, तो हम उच्च-द्रव्यमान वाले कणों के बजाय कम-द्रव्यमान की खोज के लिए अपने प्रयोगों को परिष्कृत और पुन: डिज़ाइन कर सकते हैं।