Японские ученые использовали магнитное поле и атмосферу Земли как гигантский планетарный детектор для поиска аксионов и темных фотонов — сверхлегких частиц темной материи. Исследователи в 100 раз повысили точность измерений и зафиксировали несколько неизвестных сигналов.
Аксионы и темные фотоны остаются главными гипотетическими кандидатами на роль темной материи, которая составляет около четверти всей массы-энергии Вселенной, но до сих пор ускользает от прямого наблюдения. В исследуемом диапазоне эти гипотетические частицы обладают экстремально малой массой — примерно на 19-21 порядок легче электрона. Согласно теоретическим моделям, при взаимодействии с естественными или искусственными магнитными полями аксионы и темные фотоны способны превращаться в обычные электромагнитные волны, что делает возможной их регистрацию.
В традиционных лабораторных экспериментах ученые пытаются зарегистрировать аксионы путем их превращения в фотоны внутри сверхмощных магнитов. Однако размеры наземных установок ограничили объем исследуемого пространства.
Исследователи из Киотского, Хиросимского и Университета Нихон (Япония) предложили задействовать полость между поверхностью Земли и ионосферой, работающую как естественный объемный резонатор и усиливающую электромагнитные колебания. Физики под руководством Ацуси Таруи (Atsushi Taruya) разработали теоретическую модель, которая учла электропроводность атмосферы.
Модель показала, что планетарный резонатор эффективно усиливает сигналы на частотах до 30 герц. Расчеты также продемонстрировали различие между гипотетическими частицами: аксионный сигнал должен менять интенсивность в зависимости от географических координат с пиком в Юго-Восточной Азии, тогда как темные фотоны порождают равномерный глобальный отклик.
Для проверки гипотезы ученые проанализировали геомагнитные данные за 2012-2022 годы, полученные обсерваторией Эскдалемюир в Шотландии. После очистки массива данных от техногенных шумов физики обнаружили узкополосные всплески — четкие электромагнитные сигналы на одной конкретной частоте, непохожие на случайный фоновый шум.
При анализе данных на предмет темных фотонов получилось выявить несколько кандидатов в сигналы неизвестного происхождения. Результаты серии исследований опубликовали в научном журнале Progress of Theoretical and Experimental Physics.
Зафиксированные аномалии ученые пока не признали прямым открытием темной материи, поэтому сигналы требуют дальнейшей проверки. Тем не менее новый метод продемонстрировал высокую чувствительность к гипотетическим частицам и открыл возможность использовать естественные электромагнитные поля Земли в фундаментальной физике.
Автор: Марк Чернов