Ученые использовали Землю для поиска частиц темной материи
Темная материя продолжает оставаться одной из самых больших загадок в физике. Астрономы уверены в ее существовании, считая, что она составляет около четверти энергии Вселенной, однако ее состав остается неизвестным, сообщает Science Daily. Об этом пишет RuSamara.
Среди наиболее обсуждаемых гипотез находятся частицы, такие как сверхлегкие аксионы и темные фотоны. Исследователи сосредоточились на частицах с массой, в десятки раз меньшей массы электрона. Традиционные методы поиска аксионов предполагают их преобразование в фотоны с помощью мощных магнитных полей, но даже самые сильные магниты охватывают лишь ограниченные области пространства.
Команда ученых из Университета Киото, Университета Хиросимы и Университета Нихон предложила использовать магнитное поле Земли для проведения эксперимента. Ведущий автор исследования Ацуши Таруи отметил, что пространство между земной поверхностью и ионосферой функционирует как естественный резонатор, который усиливает электромагнитные волны в нужном диапазоне масс. Это свойство делает данную область особенно подходящей для поиска сигналов, связанных с сверхлегкими частицами.
Ранее существующие теоретические модели могли анализировать лишь частоты ниже одного герца, что оставляло значительную часть диапазона без внимания. Чтобы устранить эту проблему, исследователи разработали новую теоретическую базу, учитывающую электропроводность атмосферы. Расчеты показали, что резонатор Земля–ионосфера может усиливать сигналы около восьми герц и позволил делать прогнозы до 30 герц. Модель также предсказала важное различие между кандидатами на роль темной материи: сигналы от аксионов должны варьироваться в зависимости от местоположения, причем самые сильные ожидаются в Юго-Восточной Азии, тогда как сигналы от темных фотонов должны быть почти одинаковыми по всему миру.
Применяя эту методику, команда проанализировала данные геомагнитных измерений, собранные обсерваторией Эскдалемуир Британской геологической службы с 2012 по 2022 год. Сначала они очистили данные от помех, а затем искали устойчивый сигнал в узком диапазоне частот, который должна производить темная материя. Результаты подвергли статистическому анализу, а теоретический подход использовали и для темных фотонов, которые могут генерировать электромагнитные волны даже без магнитного поля.
Используя Землю как детектор для определенного диапазона масс аксионов, ученые установили новые ограничения на силу взаимодействия этих частиц со светом. Эти ограничения оказались примерно в сто раз строже предыдущих результатов наземных экспериментов и сопоставимы с данными, полученными из наблюдений рентгеновских обсерваторий Chandra и NuSTAR. Поиск темных фотонов дал особенно интересные результаты: исследователи нашли несколько сигналов-кандидатов, которые могут быть связаны с темной материей, однако их происхождение остается неясным, и подтвердить их связь с темной материей пока не удалось. Природа темной материи по-прежнему остается загадкой, но новая теоретическая модель может стать важным инструментом для расширения будущих поисков, превращая естественную электромагнитную среду Земли в средство изучения самых легких форм этого загадочного вещества.
