Команда фізиків з Японії запропонувала незвичний підхід до пошуку темної матерії: замість будувати нові гігантські установки, вони використали саму Землю як детектор. За оцінками, темна матерія становить приблизно чверть енергетичного вмісту Всесвіту, але її природа досі невідома. Одними з головних кандидатів на роль частинок темної матерії залишаються аксіони та темні фотони — гіпотетичні й надзвичайно легкі частинки.
Про цей підхід розповідає матеріал на сайті Universe Today. У розглянутому діапазоні мас такі аксіони та темні фотони мають масу на дев’ятнадцять–двадцять один порядок меншу за масу електрона. Інакше кажучи, щоб набрати масу одного електрона, знадобиться приблизно мільярд мільярдів таких частинок.
Як Земля перетворюється на детектор
Зазвичай аксіони намагаються виявити через їхню здатність перетворюватися на фотони в сильному магнітному полі. Саме тому у світі будують величезні лабораторні магніти, але розмір лабораторії й об’єм, де можна створити достатньо сильне поле, сильно обмежують чутливість експериментів.
Ацуcі Таруя (Atsushi Taruya) з Кіотського університету разом з колегами з університетів Хіросіми та Ніхона звернули увагу на очевидний, але недооцінений факт: Земля має власне магнітне поле, яке за розмірами незрівнянно більше за будь-який штучний магніт. Крім того, простір між поверхнею планети та іоносферою утворює природну резонансну порожнину.
Ця «порожнина» постійно збуджується блискавками, які змушують її дзвонити на частоті близько восьми герц — це так званий резонанс Шумана, відомий ще з 1950-х років. Саме в цьому діапазоні частот, за теоретичними оцінками, мав би проявити себе надлегкий аксіон. Тож у такому сценарії планета не просто стає детектором, а й виконує роль природного підсилювача можливого сигналу.
Нова теорія та старі дані
Попередні теоретичні описи цього ефекту були надійними лише для частот нижче одного герца. Японська команда розробила новий теоретичний підхід, який враховує електропровідність атмосфери і дає змогу робити коректні передбачення до частот порядку тридцяти герц. Таким чином вони охопили саме той діапазон, де очікувався сигнал від надлегких аксіонів.
Найцікавіше в їхньому експерименті те, що дослідникам не довелося нічого будувати. Вони скористалися вже наявними вимірюваннями магнітного поля, зробленими обсерваторією Британської геологічної служби в Ескдалмюрі (Eskdalemuir) на кордоні Шотландії. Команда проаналізувала десятирічний набір даних за 2012–2022 роки, зібраних спершу для зовсім інших геофізичних цілей.
Фізики відфільтрували штучні завади та випадкові перешкоди, після чого шукали стабільний, вузькосмуговий сигнал, який міг би відповідати постійній присутності темної матерії в околі Землі протягом тривалого часу.
Результати для аксіонів і темних фотонів
Сигналу від аксіонів знайти не вдалося. Однак саме це дало змогу суттєво покращити межі на можливу силу взаємодії аксіонів зі світлом. Нові обмеження виявилися приблизно в сто разів жорсткішими за найкращі попередні наземні результати в аналогічному діапазоні мас. За чутливістю вони вже конкурують із обмеженнями, отриманими завдяки рентгенівським обсерваторіям на кшталт Chandra та NuSTAR, хоча космічні методи спираються на власні модельні припущення.
Пошук темних фотонів виявився ще інтригуючим. Аналіз показав кілька незрозумілих сигналів, які не вдалося одразу пояснити. Наразі неясно, чим вони є насправді, і самі дослідники очікують, що за детальнішої перевірки більшість із них, найімовірніше, «розчиниться» як артефакти або звичайні природні процеси.
Попри це, наявність таких кандидатів означає, що тепер їх потрібно ретельно перевірити іншими методами та на інших даних. Якщо хоч частина цих сигналів виявиться пов’язаною з новою фізикою, Земля і справді може стати тим гігантським детектором темної матерії, на який фізики чекали десятиліттями.