Учёные из Университета Киото, Университета Хиросимы и Университета Нихона предложили радикально иной способ охоты на тёмную материю: вместо лабораторной установки они задействовали всю Землю как естественный резонатор, а затем, проанализировав многолетние геомагнитные записи, наткнулись на несколько загадочных сигналов, заслуживающих более пристального внимания.
Сама по себе тёмная материя продолжает оставаться одной из самых трудноразрешимых загадок физики: астрономы практически не сомневаются в том, что она существует, и отводят ей около четверти всей энергии Вселенной, однако прямых свидетельств о её составе у науки нет. В качестве главных претендентов рассматриваются сверхлёгкие аксионы и тёмные фотоны — частицы, которые в теоретических построениях фигурируют как необычайно лёгкие, на 19–21 порядков легче электрона.
Классический эксперимент по обнаружению аксионов строится на попытке превратить их в фотоны с помощью сверхсильных магнитных полей. Слабым звеном здесь выступает масштаб: даже самые мощные лабораторные магниты способны охватить лишь очень ограниченный объём, что заметно снижает шансы зарегистрировать редкое событие. Именно это ограничение и попытались обойти авторы новой работы, задавшись вопросом, можно ли использовать магнитное поле нашей планеты в качестве гигантской замены компактной аппаратуре.
По словам автора-корреспондента Ацуши Таруи, пространство между земной поверхностью и ионосферой ведёт себя наподобие полости-резонатора, которая способна направлять электромагнитные волны в том диапазоне масс, что интересовал коллектив. Подобная конфигурация делает планету естественным детектором невидимых частиц, не требующим дополнительных магнитных систем колоссальных размеров.
Прежние теоретические модели надёжно работали лишь на частотах ниже 1 Гц, вследствие чего значительная часть перспективного спектра оставалась вне зоны досягаемости. Разработав новую теоретическую основу, учитывающую электропроводность атмосферы, исследователи установили, что полость Земля–ионосфера способна усиливать колебания на частоте около 8 Гц, а достоверные предсказания простираются вплоть до 30 Гц. Дополнительно модель выявила географическую зависимость сигнала для аксионов: его интенсивность должна достигать максимума в Юго-Восточной Азии, тогда как тёмные фотоны, напротив, обязаны проявляться с одинаковой силой в любой точке мира.
Десятилетие магнитометрических данных как испытательный полигон
Эмпирическую проверку новой концепции провели на массиве геомагнитных измерений, накопленном обсерваторией Эскдалемюра Британской геологической службы в период с 2012 по 2022 год. Таким образом, в распоряжении команды оказались записи примерно за десять лет, что позволило охватить достаточно длительный временной интервал.
Обработка данных велась в несколько этапов: сначала из выборки устранялись помехи, порождённые искусственными источниками. Затем исследователи сосредоточились на очень узких частотных линиях — подобные сигналы гипотетическая тёмная материя должна генерировать на протяжении продолжительных промежутков времени. Завершающей стадией стал статистический анализ полученных результатов. Для тёмных фотонов использовалась та же логика, но с учётом важного отличия: данная частица способна рождать электромагнитные волны даже при отсутствии магнитных полей, поэтому в массиве искали иную характерную сигнатуру.
Эффективное использование всей Земли для ограничения параметров аксионов позволило ужесточить пределы взаимодействия этих частиц со светом примерно в 100 раз по сравнению с лучшими наземными установками. Эти же ограничения оказались сопоставимы с оценками, полученными из астрофизических наблюдений обсерваториями Чандра и NuSTAR, хотя последние и опираются на дополнительные теоретические допущения.
Наибольший интерес вызвали результаты поиска тёмных фотонов: в собранном массиве удалось выделить несколько кандидатов — едва уловимых сигналов, которые привлекли более пристальное внимание авторов.
на сигналы, которые могут гарантировать определение темной материи. Однако источник этих сигналов остается неизвестным, и они не были подтверждены как свидетельство существования темной материи.
Таким образом, истинная сущность темной материи остается не нестабильной. Тем не менее, новая теоретическая основа может дать исследователям потенциал роста будущих исследований и использовать естественную электромагнитную среду Земли в качестве инструмента для исследования некоторых из самых отдаленных форм темной материи.