സ്ഥലകാലം: ഡാര്‍ക്ക്‌ മാറ്ററിനെ എങ്ങനെ 'കാണാം'?

ഡാര്‍ക്ക്‌ മാറ്ററിനെ കുറിച്ച് മറ്റൊരു ലേഖനത്തില്‍ വിവരിച്ചിരുന്നുവല്ലോ. ഡാര്‍ക്ക്‌ മാറ്റെറിന്റെ നിലനിപ്പിനെ സാധൂകരിക്കുവാന്‍ നക്ഷത്രങ്ങളുടെയോ ഗ്യാലക്സികലുടെയോ ചലനങ്ങള്‍ നിരീക്ഷിക്കുന്നതിലൂടെ എങ്ങിനെ കഴിയും എന്നും വിശദീകരിചിരുന്നുവല്ലോ. എന്നാല്‍ ഡാര്‍ക്ക്‌ മാറ്റെറിന്റെ നേരിട്ട് 'കാണുവാന്‍' കഴിയുന്ന തരത്തിലേക്കുള്ള പരീക്ഷണങ്ങള്‍ ജ്യോതി ശാസ്ത്രത്തില്‍ നടന്നു വരുകയാണ്. അത്തരം പരീക്ഷണങ്ങളെ കുറിച്ചാണ് ഈ ലേഖനത്തില്‍ വിശദീകരിക്കുവാന്‍ പോകുന്നത്.

ഡാര്‍ക്ക്‌ മാറ്റര്‍ ഏതു തരം കണികകള്‍ മൂലം ആണ് നിര്‍മിക്കപ്പെട്ടിരിക്കുന്നത് എന്നതായിരുന്നു തുടക്കത്തിലെ ഉയര്‍ന്നു വന്ന ചോദ്യം. ന്യുട്രിനോകള്‍ ആയിരിക്കാം എന്ന് ചര്‍ച്ച ചെയ്യപ്പെട്ടെങ്കിലും പ്രപഞ്ചത്തിലെ മുഴുവന്‍ ഡാര്‍ക്ക്‌ മാറ്ററും ന്യുട്രിനോകള്‍ ആയിരുന്നാല്‍ പ്രപഞ്ചത്തില്‍ ഗ്യാലക്സികള്‍ ഉണ്ടാകുന്നതിനെ വിശദീകരിക്കുവാന്‍ ബുദ്ധിമുട്ടാകുന്നതായി കണ്ടെത്തി. അതില്‍ നിന്നും പ്രപഞ്ചത്തിലെ മുഴുവന്‍ ഡാര്‍ക്ക്‌ മാറ്ററും ന്യുട്രിനോകള്‍ അല്ല എന്ന് അനുമാനിച്ചു. എന്നാല്‍ ഡാര്‍ക്ക്‌ മാറ്റര്‍ ഏതു കണികകള്‍ കൊണ്ട് നിര്‍മിക്കപ്പെട്ടിരുന്നാലും അവ മറ്റു കണികകളുമായി കൂടിയിടിക്കുന്നതിനുള്ള സാധ്യത വളരെ വളരെ കുറവാണു. വിമ്പ് (WIMP - weakly interacting massive particle) എന്ന ഗണത്തില്‍ വരുന്ന കണികകളാല്‍ ആണ് ഭൂരിഭാഗം ഡാര്‍ക്ക്‌ മാറ്റര്‍ നിര്‍മ്മിക്കപ്പെട്ടിരിക്കുന്നത് എന്നതാണ് ഇപ്പോള്‍ വിശ്വസിക്കപ്പെടുന്നത്. അത്തരം കണികകള്‍ നുട്രോണ്കളെക്കാള്‍ ഭാരമുള്ളതും സാവധാനം (പ്രകാശ വേഗത്തിന്റെ ഏകദേശം ആയിരത്തില്‍ ഒന്ന്) സഞ്ചരിക്കുന്നതുമാണ് എന്ന് പല തെളിവുകളുടെയും അടിസ്ഥാനത്തില്‍ വിശ്വസിക്കുന്നു. ഇത്തരം കണികകളെയാണ് ജ്യോതി ശാസ്ത്രഞ്ജര്‍ 'ദൂര ദര്‍ശിനികളുടെ' സഹായത്തോടെ 'കാണുവാന്‍' ശ്രമിക്കുന്നത്.

എങ്ങനെയാണു ഇവയെ കാണുന്നത്? ഇവക്കു മറ്റു പദാര്‍ധങ്ങളുമായി interact ചെയ്യുവാന്‍ കഴിയാത്തത് കൊണ്ടും അവ പ്രപഞ്ചത്തില്‍ സര്‍വവ്യാപിയായത് കൊണ്ടും അത്തരം കണികകള്‍ നമുക്ക് ചുറ്റും ഇപ്പോഴും ഉണ്ടായിരിക്കും. ഓരോ ചതുരശ്ര മീറ്റര്‍ സ്ഥലത്തുകൂടി ലക്ഷക്കണക്കിന്‌ 'വിമ്പു'കള്‍ ഓരോ നിമിഷവും കടന്നു പൊയ്ക്കൊണ്ടിരിക്കുന്നു. ഒരു കിലോഗ്രാം ഭാരമുള്ള ഏതെങ്കിലും ഒരു വസ്തുവിലെ ഒരു ആറ്റവുമായി, അവയില്‍ ഒരു 'വിമ്പ്' കണിക ഒരു ദിവസം ഒരു തവണ കൂടിയിടിക്കും എന്നാണ് ഏകദേശ കണക്ക്. അങ്ങനെ 'വിമ്പു'മായി കൂടിയിടിക്കപ്പെട്ട ആറ്റത്തിന്റെ ഉര്‍ജ്ജ്യ നിലക്ക് വ്യത്യാസം ഉണ്ടാകുന്നു. ഈ വ്യത്യാസം അളക്കുന്നതിലൂടെ നമുക്ക് ഡാര്‍ക്ക്‌ മറ്റെറിന്റെ നിലനില്‍പ്പും അവയുടെ സ്വഭാവവും മനസിലാക്കുവാന്‍ കഴിയും. ഇവിടെ "ഒരു കിലോഗ്രാം ഭാരമുള്ള വസ്തു"വിനെ നമ്മള്‍ 'ടിറെക്ടര്‍' (detector ) എന്ന് വിളിക്കുന്നു. ഉദാഹരണത്തിന് 'ടിറെക്ടര്‍' ഒരു സിലികോന്‍ വസ്തു ആണെങ്കില്‍, ഡാര്‍ക്ക്‌ മാറ്ററുമായി അത് 'പ്രവര്‍ത്തിക്കുമ്പോള്‍' അവയില്‍ വൈദ്യുതി ഉല്‍പ്പാദിപ്പിക്കപ്പെടുന്നു. അതിനെ നമ്മുക്ക് അളക്കുവാന്‍ കഴിയും. ഇങ്ങനെ ഉല്‍പ്പാദിപ്പിക്കപ്പെടുന്ന വൈദ്യുതിയെ 'സിഗ്നല്‍' (signal ) എന്നും വിളിക്കുന്നു.

മുകളില്‍ വിവരിച്ച സാങ്കേതിക വിദ്യ വളരെ ലളിതമായി തോന്നാമെങ്കിലും അത് നടപ്പില്‍ വരുത്തുന്നത് വളരെ സങ്കീര്‍ണമായ ജോലിയാണ്. കാരണം നാം അളക്കുവാന്‍ പോകുന്നത് വിമ്പ് ദിവസം ഒരു ആറ്റവുമായി ഒരു തവണ മാത്രം കൂട്ടിയിടിക്കുമ്പോള്‍ ഉണ്ടാകുന്ന സിഗ്നലിനെ ആണ്. എന്നാല്‍ ഒരു ദിവസം ലക്ഷക്കണക്കിന്‌ മറ്റു കണികകള്‍ 'ടിറ്റക്റ്ററു'മായി കൂടിയിടിക്കുകയും സിഗ്നല്‍ ഉണ്ടാക്കുകയും ചെയ്യും. അതില്‍ നിന്നും വിമ്പ് ഉണ്ടാക്കിയ സിഗ്നല്‍ വേര്‍തിരിച്ചെടുക്കുവാന്‍ കഴിയുകയില്ല. അപ്പോള്‍ എങ്ങനെയാണു ഡാര്‍ക്ക്‌ മാറ്റര്‍ ഉണ്ടാക്കിയ സിഗ്നല്‍ അളക്കുക?

മുകളിലെ പ്രശ്നത്തിനു ഒരേ ഒരു വഴി മാത്രമേ ഉള്ളു. ടിട്ടെക്ടരില്‍ മറ്റു കണികകള്‍ വീഴുന്നത് തടയുക. അതിനു വേണ്ടി പലതരം കവചങ്ങള്‍ കണ്ടുപിടിച്ചിട്ടുണ്ട്. എന്നാല്‍ കോസ്മിക്‌ കിരണങ്ങളെ തടയുവാന്‍ അവയ്ക്ക് ആവുകയില്ല. കോസ്മിക് കിരണങ്ങള്‍ ചെന്ന് ചേരാത്ത സ്ഥലങ്ങള്‍ ഭൂമില്‍ ഉണ്ടെകില്‍ അത്തരം സ്ഥലങ്ങള്‍ ആണ് ഡാര്‍ക്ക്‌ മറ്റെരിനെ കണ്ടുപിടിക്കുവാന്‍ ഉപയോഗിക്കുന്ന ഉപകരണങ്ങള്‍ സ്ഥാപിക്കുവാന്‍ നല്ലത്. ഭൂമിക്കടിയില്‍ ആയിരം മീറ്ററോ അതില്‍ കൂടുതലോ ഉള്ള സ്ഥലങ്ങളില്‍ കോസ്മിക് രശ്മികള്‍ എത്തിപെടാനുള്ള സാധ്യത കുറവാണു. അക്കാരണത്താല്‍ ഡാര്‍ക്ക്‌ മാറ്റര്‍ 'ടിറ്റക്റ്ററു'കള്‍ വലിയ ഖനികളിലാണ്‌ സ്ഥാപിക്കുന്നത്. ബൌള്‍ബി (Boulby) ബ്രിട്ടന്‍, സൌദാന്‍ ഖനി (യു എസ്), ഗ്രാന്‍ സാസ്സോ നാഷണല്‍ ലാബ്‌ , ഇറ്റലി തുടങ്ങിയവ അത്തരം ഗവേഷണ സ്ഥാപനങ്ങള്‍ക്ക് ഉദാഹരണങ്ങള്‍ ആണ്. ഇവയില്‍ ഗ്രാന്‍ സാസ്സോ നാഷണല്‍ ലാബില്‍ നടത്തിയ DAMA/Nal എന്ന പരീക്ഷണത്തില്‍ ഡാര്‍ക്ക്‌ മറ്റെറിന്റെ സാന്നിധ്യം കാണുവാന്‍ കഴിഞ്ഞു എന്ന് ശാസ്ത്രഞ്ജര്‍ അവകാശപ്പെടുന്നു. DAMA/Nal ന്റെ ചിത്രം താഴെക്കൊടുത്തിരിക്കുന്നു.