Физики использовали Землю как гигантский детектор тёмной материи и нашли десятки необычных сигналов
Японские физики предложили использовать Землю как гигантский природный детектор тёмной материи. Проанализировав данные о магнитном поле планеты за десять лет, исследователи обнаружили десятки сигналов, соответствующих некоторым теоретическим признакам сверхлёгких частиц — аксионов и тёмных фотонов. Пока ни один из этих сигналов нельзя считать доказательством существования тёмной материи, поскольку у них могут быть более обычные природные или техногенные объяснения.
Идея основана на том, что пространство между поверхностью Земли и ионосферой способно работать как огромный электромагнитный резонатор. По словам физика-теоретика Ацуси Таруи, эта естественная система может усиливать электромагнитные волны именно в том диапазоне частот, который соответствует рассматриваемым массам гипотетических частиц тёмной материи.
Одним из кандидатов на роль тёмной материи являются аксионы. Эти чрезвычайно лёгкие гипотетические частицы были предложены ещё в 1970-х годах для решения проблемы в физике элементарных частиц. Позднее выяснилось, что при определённой массе они могут одновременно объяснять часть скрытой массы Вселенной.
В отличие от многих других кандидатов в частицы тёмной материи, аксионы должны слабо взаимодействовать с электромагнитными полями. В присутствии сильного магнитного поля они теоретически способны превращаться в фотоны. Именно поэтому физики пытаются искать их не только в лабораторных экспериментах, но и возле нейтронных звёзд и других объектов с мощными магнитными полями.
Японские исследователи решили использовать вместо искусственного магнита магнитное поле самой Земли. Если аксионы постоянно проходят через планету вместе с потоком галактической тёмной материи, их взаимодействие с геомагнитным полем должно создавать чрезвычайно слабые электромагнитные колебания. Пространство между поверхностью планеты и ионосферой при определённых частотах способно дополнительно усиливать такой сигнал.
Для проверки этой идеи команда изучила данные магнитных наблюдений Британской геологической службы, собранные с 2012 по 2022 год. Исследователи искали очень узкие и устойчивые сигналы на частотах, соответствующих диапазону возможных масс аксионов.
После учёта фоновых помех физики обнаружили 65 потенциальных аксионных сигналов. Когда статистические требования сделали более строгими, число кандидатов сократилось до 25. Их происхождение пока неизвестно, поэтому авторы не утверждают, что обнаружили аксионы.
Учёные также проверили возможность поиска другого кандидата на роль тёмной материи — тёмного фотона. В некоторых моделях физики за пределами Стандартной модели такая частица может обладать массой и крайне слабо взаимодействовать с обычным веществом.
При поиске тёмных фотонов первоначальный анализ выявил до 342 потенциальных сигналов. После применения более строгого критерия отношения сигнал/шум осталось 31 событие, которое заслуживает дальнейшего изучения.
Существующие данные пока не позволяют определить, связаны ли какие-либо из найденных сигналов с аксионами, тёмными фотонами или неизвестными источниками электромагнитных помех. Однако различие между двумя гипотезами даёт исследователям способ проверить их в будущем.
Сигнал от аксионов должен зависеть от магнитного поля Земли, напряжённость и направление которого меняются в разных регионах планеты. По расчётам исследователей, потенциальный аксионный сигнал должен быть слабее вблизи полюсов и значительно сильнее в районе Юго-Восточной Азии.
Для тёмных фотонов такая зависимость от геомагнитного поля не требуется. Если один и тот же сигнал будет иметь практически одинаковую интенсивность в разных частях Земли, это будет больше соответствовать гипотезе тёмных фотонов. Если же его амплитуда станет меняться вместе с характеристиками магнитного поля планеты, это может указывать на аксионную природу.
Пока проверить эту разницу невозможно, поскольку использованные в анализе данные поступили только с одной обсерватории в Великобритании. Следующим шагом должны стать одновременные наблюдения на нескольких геомагнитных станциях в разных частях мира.
Если один и тот же устойчивый сигнал удастся независимо зарегистрировать на разных континентах и его интенсивность будет меняться именно так, как предсказывают модели, это позволит значительно лучше проверить гипотезу о происхождении сигнала из тёмной материи.
Главным результатом работы пока стало не обнаружение новой частицы, а демонстрация необычного метода её поиска. Земное магнитное поле вместе с ионосферой фактически может выполнять роль природного детектора планетарного масштаба, позволяя искать сверхлёгкую тёмную материю без строительства гигантской экспериментальной установки.
Исследования опубликованы в журналах и .