2340
Фізики з Японії перетворили Землю на гігантський детектор темної матерії і виявили кілька загадкових сигналів, які можуть бути пов’язані з так званими темними фотонами. Про роботу повідомляє ScienceDaily з посиланням на дослідників Кіотського університету.
Темна матерія залишається однією з головних загадок сучасної фізики. Астрономічні спостереження свідчать, що вона становить близько чверті всієї енергії Всесвіту, але її природа досі невідома. Серед провідних кандидатів — гіпотетичні частинки ультралегкі аксіони та темні фотони, маса яких у досліджуваному діапазоні має бути приблизно на 19–21 порядок менша за масу електрона.
Як Землю перетворили на детектор темної матерії
Більшість експериментів з пошуку аксіонів намагаються перетворити їх на фотони в надзвичайно сильних магнітних полях у лабораторіях. Проблема в тому, що навіть найпотужніші магніти охоплюють дуже обмежений об’єм простору.
Команда з Кіотського університету, Хіросімського університету та Університету Ніхон запропонувала інший підхід: використати як частину установки саме Землю та її магнітне оточення. Вони звернули увагу на те, що простір між поверхнею планети та іоносферою поводиться як гігантська резонансна порожнина, здатна підсилювати електромагнітні хвилі в певному діапазоні частот.
За словами провідного автора Ацуші Таруї (Atsushi Taruya), «земно-іоносферна порожнина» діє як природний резонатор саме в тому діапазоні мас аксіонів, який команда хотіла дослідити. Це робить її потенційно дуже чутливим інструментом для пошуку сигналів від ультралегких частинок.
Нова теорія для вищих частот
Однією з перешкод було те, що попередні теоретичні моделі надійно описували лише дуже низькі частоти — нижче 1 Гц. Через це значна частина потенційно корисного діапазону залишалася поза увагою.
Щоб розширити можливості пошуку, дослідники розробили нову теоретичну схему, яка враховує електропровідність атмосфери. Розрахунки показали, що земно-іоносферна порожнина може суттєво підсилювати сигнали поблизу частоти близько 8 Гц, а також дозволили робити надійні прогнози до приблизно 30 Гц.
Модель також передбачила важливу відмінність між двома кандидатами на роль темної матерії. Сигнали від аксіонів мають залежати від географічного розташування, причому найсильніші очікуються в Південно-Східній Азії. Темні фотони, навпаки, повинні давати майже однаковий за силою сигнал по всій планеті.
Десятирічний архів магнітних вимірювань
Озброївшись новою теорією, команда проаналізувала близько десяти років геомагнітних даних, зібраних у 2012–2022 роках обсерваторією Ескдейлмюр Британської геологічної служби.
Спершу вчені відфільтрували з даних штучні джерела шуму. Потім шукали стабільні сигнали, зосереджені в дуже вузькому діапазоні частот — саме таку «монохроматичну» картину теорія очікує від темної матерії, яка діє протягом тривалого часу.
Отримані результати піддали статистичному аналізу. Ту саму теоретичну схему застосували й до пошуку темних фотонів. На відміну від аксіонів, темні фотони можуть породжувати електромагнітні хвилі навіть без зовнішнього магнітного поля, тож дослідники шукали інший характерний «відбиток» у тих самих даних.
Жорсткіші обмеження та загадкові кандидати
Використовуючи Землю як детектор для певного діапазону мас аксіонів, дослідники змогли суттєво посилити обмеження на те, наскільки сильно аксіони можуть взаємодіяти зі світлом. Нові межі виявилися приблизно у 100 разів жорсткішими за попередній найкращий результат наземного експерименту.
Ці обмеження також виявилися порівнянними з тими, що випливають з астрофізичних рентгенівських спостережень, зокрема за допомогою обсерваторій Chandra та NuSTAR. Водночас астрофізичні оцінки залежать від низки теоретичних припущень, тоді як новий підхід спирається на земні вимірювання.
Особливо інтригуючим виявився пошук темних фотонів. У даних знайшли кілька кандидатів у сигнали, які потенційно можуть мати темноматеріальне походження. Однак їхнє джерело поки що невідоме, і ці сигнали не можна вважати доказом існування темної матерії.
Отже, справжня природа темної матерії залишається невирішеною. Проте нова теоретична рамка й методика дають фізикам потужний інструмент для майбутніх пошуків, дозволяючи використовувати природне електромагнітне середовище Землі для вивчення одних із найлегших можливих форм темної матерії.
Земне магнітне поле виявило загадкові сигнали темної матерії з’явилася спочатку на Цікавості.
