Що, якби для пошуку темної матерії не потрібен був гігантський детектор у лабораторії? Виявляється, він уже може існувати — просто під нашими ногами. Дослідники використали магнітне поле Землі та її атмосферу як своєрідний планетарний детектор і отримали результати, які змусили їх уважніше придивитися до кількох загадкових сигналів.
Темна матерія залишається однією з найбільших загадок сучасної фізики. Вчені мають вагомі докази її існування, але досі не знають, із чого саме вона складається. За сучасними оцінками, на темну матерію припадає приблизно чверть енергетичного вмісту Всесвіту. Тепер фізики спробували знайти її сліди не в складній установці, а фактично використовуючи саму Землю.
Планета стала частиною експерименту
Дослідники з університетів Кіото, Хіросіми та Ніхон звернули увагу на незвичайну властивість простору між поверхнею Землі та іоносферою. Ця область працює як природна електромагнітна «порожнина», у якій певні хвилі можуть резонувати та посилюватися. За задумом учених, це може допомогти виявити надзвичайно слабкі сигнали від гіпотетичних частинок темної матерії.
Йдеться, зокрема, про ультралегкі аксіони та темні фотони. У досліджуваному діапазоні їхня маса настільки мала, що вона приблизно на 19–21 порядків менша за масу електрона. І саме тут починається найцікавіше.
Вчені розширили можливості «планетарного детектора»
Традиційні експерименти з пошуку аксіонів часто використовують надзвичайно потужні магніти. Проблема очевидна: навіть найбільша лабораторна установка охоплює лише невелику ділянку простору. Земля ж має величезне магнітне поле та атмосферу, які можуть стати природною частиною експерименту.
Однак існувала теоретична проблема. Попередні моделі дозволяли надійно описувати лише частоти нижче 1 Гц. Через це значна частина потенційного діапазону залишалася фактично поза пошуком.
Дослідники розробили нову модель, яка враховує електропровідність атмосфери. Розрахунки показали, що система Земля–іоносфера може посилювати сигнали поблизу 8 Гц, а новий підхід дозволяє робити надійні передбачення приблизно до 30 Гц.
Потім вони дістали дані за ціле десятиліття
Теорія — лише половина справи. Щоб перевірити ідею, команда звернулася до реальних вимірювань магнітного поля Землі. Для аналізу використали близько 10 років геомагнітних даних, зібраних у 2012–2022 роках обсерваторією Eskdalemuir Британської геологічної служби.
Спочатку з даних прибрали штучні джерела шуму. Потім дослідники шукали надзвичайно вузькі та стабільні частотні сигнали — саме такі, які могли б виникнути через взаємодію з ультралегкими частинками темної матерії. Цікаво, що аксіони та темні фотони мали б залишати різні «відбитки».
Для аксіонів очікується залежність сигналу від географічного положення. Найсильнішим він мав би бути в районі Південно-Східної Азії. Темні фотони, навпаки, повинні давати сигнал приблизно однакової сили в різних точках планети.
Аксіони стали ще невловимішими
Новий метод дозволив встановити значно жорсткіші обмеження на можливу взаємодію ультралегких аксіонів зі світлом. За словами дослідників, отримані обмеження приблизно у 100 разів сильніші за попередній найкращий результат наземного експерименту в цьому діапазоні.
Вони також виявилися конкурентними з деякими обмеженнями, отриманими з астрофізичних спостережень у рентгенівському діапазоні. Щоправда, такі космічні оцінки залежать від певних теоретичних припущень. Але справжня інтрига виникла під час пошуку іншого кандидата.
Десь у даних ховається загадка
Під час аналізу темних фотонів учені виявили кілька кандидатів у сигнали, які потенційно можуть мати зв’язок із темною матерією. Саме слово «кандидати» тут надзвичайно важливе. Дослідники поки не знають, що породжує ці сигнали. Вони не підтверджені як темна матерія і можуть мати цілком звичайне фізичне або технічне пояснення.
Тобто сенсація полягає не в тому, що вчені нарешті знайшли темну матерію. Поки цього не сталося. Натомість вони продемонстрували, що наша планета сама може бути корисним інструментом для пошуку одних із найлегших частинок, які взагалі допускають сучасні теорії.
Найцікавіше може бути попереду
Якщо метод виявиться надійним, дослідникам більше не доведеться покладатися лише на дорогі лабораторні установки. Магнітне поле Землі, атмосфера та багаторічні геомагнітні спостереження можуть перетворитися на своєрідну природну лабораторію.
Темна матерія поки залишається невидимою. Але тепер фізики отримали новий спосіб полювати на неї — використовуючи не лише детектори, створені людиною, а й саму планету. І якщо загадкові сигнали від темних фотонів колись вдасться підтвердити незалежними спостереженнями, це стане одним із найважливіших відкриттів у сучасній фізиці.
