Як планета перетворилася на лабораторію для пошуку темної матерії
Дослідники вперше використали Землю та її магнітне поле як природний детектор для пошуку слідів темної матерії та зафіксували декілька незвичних сигналів, які можуть пролити світло на одну з найбільших загадок фізики.
Темна матерія залишається невловимою субстанцією, яка, за підрахунками, становить близько чверті енергетичного балансу Всесвіту, проте її природа досі невідома. Нещодавно команда фізиків з університетів Кіото, Хіросіми та Ніхон запропонувала новий підхід: замість складних лабораторних установок вони використали магнітне поле та атмосферу Землі.
Між поверхнею планети й іоносферою існує особлива електромагнітна «порожнина», де певні хвилі можуть резонувати. Вчені припустили, що саме ця властивість допоможе виявити слабкі сигнали гіпотетичних частинок темної матерії – зокрема, ультралегких аксіонів і темних фотонів. Їхня маса, за розрахунками, у 19–21 разів менша за масу електрона.
Традиційні пошуки аксіонів ґрунтуються на використанні потужних магнітів, але навіть наймасштабніші лабораторії охоплюють лише малу частину простору. Земля ж пропонує значно більші можливості завдяки власному магнітному полю та атмосфері. Однак раніше науковці могли досліджувати лише частоти нижче 1 Гц.
Розроблена дослідниками модель враховує електропровідність атмосфери, що дозволило розширити діапазон досліджень до частот близько 30 Гц і зосередитися на посиленні сигналів у районі 8 Гц.
Щоб підтвердити теорію, команда проаналізувала 10-річний масив даних геомагнітних вимірювань, зібраних обсерваторією Eskdalemuir у 2012–2022 роках. Після очищення інформації від шумів вчені шукали стабільні та вузькі сигнали, які могли б бути свідченням присутності аксіонів або темних фотонів. Дослідники поки не знають, що породжує ці сигнали. Вони не підтверджені як темна матерія і можуть мати цілком звичайне фізичне або технічне пояснення.
У разі аксіонів сигнал мав би залежати від географічного розташування та бути найсильнішим у Південно-Східній Азії, а сигнали від темних фотонів повинні проявлятися приблизно однаково у різних точках планети.
Новий підхід дозволив суттєво посилити обмеження щодо взаємодії аксіонів зі світлом – приблизно у 100 разів порівняно з попередніми експериментами на Землі. Деякі з отриманих результатів виявилися співставними з астрофізичними оцінками, хоча останні залежать від теоретичних припущень.
Під час аналізу сигналів темних фотонів у даних виявили кілька потенційних кандидатів, які можуть бути пов’язані з темною матерією, але наразі це лише гіпотеза. Вчені підкреслюють, що відкриті сигнали потребують додаткової перевірки, аби виключити їхню технічну або природну природу.
Цей експеримент показав, що сама планета може стати потужним інструментом у пошуках темної матерії. Якщо у майбутньому вдасться підтвердити зв’язок зафіксованих сигналів із темною матерією, це стане одним із найвизначніших відкриттів у фізиці XXI століття.