Загадочный сигнал вокруг Земли может оказаться тёмной материей
Учёные использовали магнитное поле и атмосферу Земли как детектор размером с планету, чтобы найти одни из самых лёгких предполагаемых форм тёмной материи. Подход позволил радикально ужесточить ограничения на ультралёгкие аксионы и выявил несколько интригующих сигналов тёмных фотонов, которые ещё предстоит объяснить.
Тёмная материя — одна из крупнейших неразгаданных тайн современной физики. Астрономы уверены в её существовании и оценивают, что на неё приходится около четверти всей энергии Вселенной, но до сих пор не знают, из чего она состоит.
Две ведущие гипотезы — гипотетические частицы, известные как ультралёгкие аксионы и тёмные фотоны. В диапазоне масс, исследованном учёными, эти частицы были бы необычайно лёгкими — примерно на 19–21 порядков легче электрона.
Земля как гигантский детектор тёмной материи
Многие традиционные эксперименты с аксионами пытаются превратить их в фотоны, помещая в сверхсильные магнитные поля в лабораториях. Проблема в масштабе: даже мощные лабораторные магниты покрывают сравнительно небольшую область.
Исследователи из Киотского, Хиросимского и Нихонского университетов нашли способ обойти это ограничение. Вместо того чтобы полагаться только на лабораторное оборудование, они задались вопросом: можно ли использовать магнитную среду самой Земли как часть эксперимента?
«Мы спросили себя, можем ли мы использовать саму Землю как гигантский детектор в этом поиске», — говорит соавтор исследования Ацуши Таруя. — «Полость Земля–ионосфера действует как естественный резонатор, усиливая электромагнитные волны как раз в том диапазоне масс, который мы хотели исследовать».
Область между поверхностью Земли и ионосферой может естественным образом резонировать с электромагнитными волнами, подобно большой полости. Это сделало её особенно полезной для поиска сигналов, связанных с ультралёгкими частицами, которые интересовали команду.
Расширение поиска до более высоких частот
Одним из препятствий было то, что прежняя теория могла надёжно описывать только частоты ниже 1 Гц. Это оставляло значительную часть потенциально полезного диапазона частот неизученной.
Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали новую теоретическую основу, учитывающую электропроводность атмосферы. Их расчёты показали, что полость Земля–ионосфера может усиливать сигналы вблизи 8 Гц и позволила делать надёжные предсказания вплоть до примерно 30 Гц.
Модель также предсказала важное различие между двумя кандидатами в тёмную материю. Сигналы, производимые аксионами, должны меняться в зависимости от местоположения, причём самые сильные ожидаются в Юго-Восточной Азии. Сигналы тёмных фотонов, напротив, должны проявляться почти одинаковой силы по всему миру.
Десятилетие магнитных данных под проверкой
Используя эту основу, команда проанализировала около десяти лет геомагнитных измерений, собранных в 2012–2022 годах обсерваторией Эскдалемюр Британской геологической службы.
Исследователи сначала удалили из данных искусственные источники шума. Затем они искали устойчивый сигнал, сосредоточенный в очень узком диапазоне частот, который, как ожидается, тёмная материя должна производить в течение длительных периодов времени. Результаты были подвергнуты статистическому анализу.
Тот же теоретический подход применялся и к тёмным фотонам. В отличие от аксионов, тёмные фотоны могут производить электромагнитные волны даже при отсутствии магнитного поля, поэтому исследователи искали в наборе данных другой сигнатурный признак, который должны создавать эти частицы.
Более жёсткие ограничения и загадочные кандидаты в сигналы
Эффективно используя всю Землю как детектор для определённого диапазона масс аксионов, исследователи установили новые пределы того, насколько сильно аксионы могут взаимодействовать со светом. Эти ограничения оказались примерно в 100 раз жёстче предыдущего лучшего результата наземного эксперимента. Они также были сопоставимы с ограничениями, выведенными из астрофизических рентгеновских наблюдений таких обсерваторий, как Chandra и NuSTAR, хотя те астрофизические пределы зависят от определённых теоретических допущений.
Поиск тёмных фотонов дал особенно интригующий результат. Исследователи выявили несколько кандидатов в сигналы, которые потенциально могут иметь тёмноматериальное происхождение. Однако источник этих сигналов остаётся неизвестным, и они не подтверждены как свидетельство тёмной материи.
Истинная природа тёмной материи, таким образом, остаётся неразрешённой. Тем не менее новая теоретическая основа может дать исследователям мощный способ расширить будущие поиски и использовать естественную электромагнитную среду Земли как инструмент для зондирования одних из самых лёгких возможных форм тёмной материи.
