2888
Група фізиків провела глобальний пошук темної матерії, фактично перетворивши саму Землю на гігантський детектор. Аналіз даних про магнітне поле планети виявив десятки кандидатів у сигнали, які відповідають теоретичним прогнозам для деяких гіпотетичних частинок темної матерії. Ці сигнали ще потрібно ретельно перевірити, і вони можуть мати інші пояснення, але експеримент дає нові інтригуючі підказки до однієї з найзагадковіших проблем космології, повідомляє ScienceAlert.
Чому взагалі потрібна темна матерія
Спостереження за Всесвітом свідчать, що видимої речовини недостатньо, аби пояснити, як вона розподілена й рухається в космосі. Галактики обертаються так, ніби в них значно більше маси, ніж ми бачимо, а скупчення галактик тримаються разом завдяки додатковій гравітації.
Фізики припускають, що у Всесвіті існує цілий «невидимий» компонент, який не випромінює й не відбиває світло, але додає свою масу до звичайної матерії. Цю невидиму речовину назвали темною матерією. Однак виявити її безпосередньо досі не вдалося, а можливих кандидатів на роль її частинок існує чимало.
Аксіони та ідея «земного» детектора
Одним із найперспективніших кандидатів вважаються аксіони. Їх запропонували ще у 1970-х роках для розв’язання іншої задачі фізики елементарних частинок, але згодом з’ясувалося, що в певному діапазоні мас вони могли б також пояснити темну матерію.
На відміну від багатьох інших гіпотетичних частинок, аксіони, за розрахунками, мають взаємодіяти з електромагнітною силою. Моделі передбачають, що в сильних магнітних полях аксіони іноді можуть розпадатися на фотони. Тому астрономи шукають їхні сліди поблизу нейтронних зірок чи наднових, де магнітні поля надзвичайно потужні.
Фізики з Японії запропонували подивитися набагато ближче – на саму Землю. Теоретичний фізик Ацуші Таруя (Atsushi Taruya), співавтор серії робіт, пояснює, що система «поверхня Землі – іоносфера» утворює природну резонаторну порожнину, яка підсилює електромагнітні хвилі саме в тому діапазоні, де очікується сигнал від аксіонів певної маси.
Як шукали сигнали аксіонів
Щоб перевірити цю ідею, команда проаналізувала дані про магнітне поле Землі, зібрані Британською геологічною службою в 2012–2022 роках. Якщо аксіони дійсно проходять крізь планету, вони, за гіпотезою дослідників, мають збуджувати резонанс між поверхнею Землі та іоносферою, породжуючи електромагнітні хвилі з частотою, що відповідає їхній масі.
Попередні десятиліття пошуків уже сильно обмежили можливий діапазон мас аксіонів, тому вчені шукали сигнали лише в досить вузькому інтервалі частот. Після віднімання фонових шумів вони виявили 65 кандидатів у сигнали аксіонів. Коли критерії відбору зробили жорсткішими, залишилося 25 кандидатів.
Ці події ще не можна вважати відкриттям: вони лише відповідають очікуваному «почерку» аксіонів і потребують незалежної перевірки та виключення інших можливих джерел.
Пошук темних фотонів у тих самих даних
Ті самі дані можуть бути корисними й для іншого кандидата на темну матерію – так званих темних фотонів. Це гіпотетичні носії сили в «тіньовому» секторі за межами Стандартної моделі. На відміну від звичайних фотонів, темні фотони можуть мати масу й взаємодіяти з магнітними полями подібно до аксіонів.
У наступній роботі команда застосувала схожий метод, щоб знайти сигнали темних фотонів у тих самих магнітних даних. І знову отримала кандидати: до 342 сигналів за найм’якших критеріїв відбору, які звузилися до 31 кандидата після посилення вимог до співвідношення сигнал/шум.
Як відрізнити аксіони від темних фотонів
Проблема в тому, що за наявними даними метод не дозволяє розрізнити сигнали від аксіонів і темних фотонів. Одна з ключових відмінностей полягає в тому, що аксіони потребують магнітного поля Землі для формування сигналу, тоді як темні фотони могли б створювати його й без цього поля.
Це відкриває спосіб перевірки: якщо сигнал має однакову інтенсивність у будь-якій точці планети, це більше схоже на темні фотони. Якщо ж сила сигналу змінюється від місця до місця, імовірнішими стають аксіони, адже напруженість магнітного поля Землі неоднакова в різних регіонах.
За розрахунками дослідників, аксіонний сигнал мав би слабшати поблизу полюсів і бути найсильнішим у районі Південно-Східної Азії. Однак нинішні дані отримані лише з однієї обсерваторії у Великій Британії, тож глобальну картину поки що побудувати неможливо.
Попри ці обмеження, робота демонструє, що планету можна використовувати як природний детектор темної матерії. Майбутні експерименти з ширшою мережею спостережень можуть допомогти перевірити, чи справді крізь Землю безперервно «тече» потік аксіонів, темних фотонів або ж зовсім інших, поки що невідомих частинок.
Фізики перетворили Землю на детектор темної матерії й знайшли дивні сигнали з’явилася спочатку на Цікавості.
