Учёные превратили всю Землю в гигантский детектор тёмной материи

Тёмная материя остаётся одной из главных загадок современной физики. Астрономы не сомневаются в её существовании и полагают, что на неё приходится около четверти всей энергии Вселенной, однако состав этого вещества до сих пор неизвестен. Среди основных гипотез — гипотетические сверхлёгкие частицы, которые называют аксионами и тёмными фотонами, чья масса может быть в 19–21 раз меньше массы электрона, пишет ScienceDaily.

Как ищут тёмную материю сейчас

Традиционные эксперименты по поиску аксионов пытаются превратить их в фотоны, помещая частицы в сверхсильные магнитные поля, создаваемые в лабораториях. Главная сложность таких опытов заключается в масштабе: даже самые мощные магниты способны охватить лишь ограниченную область пространства. Это делает поиски чрезвычайно дорогими и технически сложными, а также ограничивает чувствительность детекторов.

Новая идея: использовать магнитное поле Земли

Учёные из Университета Киото, Университета Хиросимы и Университета Нихон предложили использовать для этих целей естественное магнитное поле Земли, превратив всю планету в гигантский детектор. Как пояснил один из авторов исследования Ацуши Таруя, полость между поверхностью Земли и ионосферой действует как природный резонатор, усиливающий электромагнитные волны в нужном диапазоне частот.

Преодоление технических ограничений

Прежние теоретические модели позволяли достоверно описывать только сигналы с частотой ниже одного герца, что оставляло значительную часть перспективного диапазона неизученной. Разработанная специалистами новая теоретическая основа учитывает электропроводность атмосферы и даёт возможность прогнозировать усиление сигналов вблизи восьми герц, а также делать надёжные расчёты вплоть до тридцати герц. Это открыло новое окно для поисков, которое ранее было недоступно.

Различия между аксионами и тёмными фотонами

Модель предсказала и различия между двумя типами частиц: сигналы от аксионов должны зависеть от точки наблюдения и быть максимально сильными в Юго-Восточной Азии, тогда как тёмные фотоны должны давать почти одинаковый сигнал по всему земному шару. Это различие позволяет учёным не только искать частицы, но и различать их природу, что критически важно для идентификации тёмной материи.

Проверка на реальных данных

Для проверки этих расчётов исследователи использовали данные геомагнитных измерений, собранных обсерваторией Эскдалемюир Британской геологической службы за период с 2012 по 2022 год. После очистки данных от искусственных помех учёные искали устойчивый узкополосный сигнал, характерный для тёмной материи, и подвергли результаты статистическому анализу. Это позволило проверить теоретические предсказания на реальных наблюдениях в течение длительного времени.

Результаты поисков

В ходе поиска аксионов исследователям удалось установить новые ограничения на силу их взаимодействия со светом, которые оказались примерно в сто раз жёстче предыдущих лабораторных результатов. Эти показатели сопоставимы с ограничениями, полученными по данным рентгеновских наблюдений астрофизических объектов, хотя последние зависят от ряда теоретических допущений.

Поиски тёмных фотонов принесли неожиданный результат: было обнаружено несколько сигналов-кандидатов, которые потенциально могут иметь отношение к тёмной материи. Однако их природа пока не установлена, и подтверждения их связи с этим веществом нет. Это означает, что окончательного открытия пока не произошло, но появились новые зацепки для дальнейших исследований.

Значение для будущих поисков

Тайна состава тёмной материи, таким образом, остаётся нераскрытой. Тем не менее новая теоретическая модель даёт исследователям инструмент для расширения будущих поисков и позволяет использовать естественную электромагнитную среду Земли для изучения самых лёгких возможных форм тёмной материи. Открытие этих частиц стало бы одним из величайших прорывов в физике, изменив наше понимание устройства Вселенной.

Учёные планируют продолжать наблюдения и усовершенствовать методику, чтобы либо подтвердить природу обнаруженных сигналов, либо установить ещё более строгие ограничения на свойства тёмной материи. Это исследование показывает, как творческий подход и использование природных феноменов могут открывать новые пути в фундаментальной науке, когда традиционные методы упираются в технические ограничения.