Темная материя остается одной из главных нерешенных загадок современной физики. Астрономы почти не сомневаются в ее существовании и полагают, что на ее долю приходится около четверти всей энергии Вселенной, однако ученым до сих пор неизвестно, из чего она состоит, сообщает Science Daily.
Среди основных гипотез — гипотетические частицы, известные как сверхлегкие аксионы и темные фотоны. В диапазоне масс, который изучали исследователи, такие частицы должны быть невероятно легкими — примерно в 10 в 19–21-й степени раз легче электрона. Традиционные эксперименты по поиску аксионов пытаются превратить их в фотоны, помещая частицы в сверхсильные магнитные поля в лабораторных условиях, но даже самые мощные магниты способны охватить лишь небольшую область пространства.
Ученые из Университета Киото, Университета Хиросимы и Университета Нихон предложили обойти это ограничение, использовав магнитное поле Земли как часть эксперимента. По словам ведущего автора исследования Ацуши Таруи, полость между земной поверхностью и ионосферой действует как естественный резонатор, усиливающий электромагнитные волны в нужном диапазоне масс. Это свойство сделало данную область особенно подходящей для поиска сигналов, связанных со сверхлегкими частицами.
Прежние теоретические модели могли описывать лишь частоты ниже одного герца, что оставляло значительную часть перспективного диапазона неизученной. Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали новую теоретическую основу, учитывающую электропроводность атмосферы. Расчеты показали, что резонатор Земля–ионосфера способен усиливать сигналы вблизи восьми герц, а также позволили делать надежные прогнозы вплоть до 30 герц. Модель предсказала и ключевое различие между кандидатами на роль темной материи: сигналы от аксионов должны различаться в зависимости от местоположения, причем самые сильные ожидаются в Юго-Восточной Азии, тогда как сигналы от темных фотонов должны быть почти одинаковой силы по всему миру.
Используя эту методику, команда проанализировала около десяти лет геомагнитных измерений, собранных обсерваторией Эскдалемуир Британской геологической службы в период с 2012 по 2022 год. Сначала специалисты очистили данные от искусственных помех, а затем занялись поиском устойчивого сигнала в узком диапазоне частот, который темная материя должна производить в течение длительного времени. Результаты подвергли статистическому анализу, а тот же теоретический подход применили и к темным фотонам, которые, в отличие от аксионов, могут создавать электромагнитные волны даже без магнитного поля.
Эффективно используя всю Землю в качестве детектора для определенного диапазона масс аксионов, ученые установили новые ограничения на силу взаимодействия этих частиц со светом. Эти пределы оказались примерно в сто раз строже предыдущего лучшего результата наземных экспериментов и сравнимы с ограничениями, полученными из астрофизических наблюдений рентгеновских обсерваторий Chandra и NuSTAR. Поиск темных фотонов дал особенно интригующий результат: исследователи обнаружили несколько сигналов-кандидатов, которые потенциально могут иметь отношение к темной материи, однако их происхождение остается неизвестным, и подтвердить их связь с темной материей пока не удалось. Природа темной материи по-прежнему не раскрыта, но новая теоретическая модель может стать мощным инструментом для расширения будущих поисков, превращая естественную электромагнитную среду Земли в средство изучения самых легких возможных форм этого загадочного вещества.