В астрофизике уже долгое время существует гипотеза о том, что значительную часть массы и энергии Вселенной составляет так называемая темная материя. Однако, несмотря на множество косвенных доказательств, ее физическая природа до сих пор остается неясной. Среди наиболее обсуждаемых теоретических моделей выделяются две гипотетические сверхлегкие частицы — аксионы и темные фотоны, масса которых, по оценкам, значительно меньше массы электрона.
Традиционные лабораторные эксперименты по поиску аксионов обычно основаны на использовании мощных магнитов для преобразования этих частиц в фотоны. Главным ограничением такого подхода является конечный размер экспериментальных установок, что сужает область возможных измерений.
Группа японских ученых предложила альтернативный метод. Они обратили внимание на то, что магнитное поле Земли по своим масштабам значительно превосходит любые лабораторные системы. Ученые задались вопросом о возможности использования планеты в качестве естественного детектора. В частности, полость между Землей и ионосферой может выступать в роли резонатора, который усиливает электромагнитные сигналы в определенном частотном диапазоне.
Предыдущие теоретические модели были применимы только для частот ниже 1 Гц. Для расширения диапазона поиска авторы разработали новую теоретическую базу, учитывающую электропроводность атмосферы. Эта модель показала, что резонансное усиление сигналов возможно в районе 8 Гц, а достоверные прогнозы можно распространить на частоты вплоть до 30 Гц. Согласно расчетам, сигналы, связанные с аксионами, должны зависеть от географического положения, достигая максимума в Юго-Восточной Азии, тогда как сигналы от темных фотонов, напротив, должны быть практически однородными по всей планете.
Используя новую методологию, ученые проанализировали данные наблюдений геомагнитного поля за период с 2012 по 2022 год, полученные из обсерватории Британской геологической службы в Эскдалемуире. После удаления техногенных помех они провели поиск стабильного узкополосного сигнала, характерного для темной материи, и выполнили статистическую обработку результатов.
Применив свою модель к аксионам, команда установила ограничения на силу их взаимодействия со светом. Эти ограничения оказались примерно в сто раз жестче, чем достигнутые в предыдущих наземных экспериментах, и сопоставимы с данными, полученными в ходе астрофизических наблюдений в рентгеновском диапазоне , хотя те, в свою очередь, также основываются на определенных теоретических допущениях.
В случае с темными фотонами, которые могут генерировать электромагнитные волны без участия внешнего магнитного поля, анализ того же набора данных выявил несколько потенциальных сигналов-кандидатов. Однако на данный момент их происхождение не подтверждено, и они требуют дальнейшей проверки.
Природа темной материи по-прежнему остается открытым вопросом., разработанная учеными теоретическая основа позволяет расширить диапазон поисков и, по их мнению, может послужить базой для нового этапа в изучении этого явления.
Читайте также: Лунный гелий-3 может стать топливом для первой коммерческой термоядерной станции.