Астрономы практически уверены в существовании тёмной материи и считают, что на неё приходится около четверти всей энергии Вселенной, однако учёные до сих пор не знают, из чего она состоит. Среди возможных вариантов были и гипотетические частицы, известные как ультралёгкие аксионы и тёмные фотоны. В рассматриваемом диапазоне масс эти частицы должны быть чрезвычайно лёгкими, примерно на 19–21 порядок легче электрона.
Во многих традиционных экспериментах по поиску аксионов учёные пытаются преобразовать их в фотоны с помощью очень сильных магнитных полей в лабораторных установках. Однако даже мощные лабораторные магниты охватывают лишь сравнительно небольшую область пространства. Исследователи из Киотского университета, Университета Хиросимы и Университета Нихон предложили обойти это ограничение. Вместо использования только лабораторного оборудования они решили выяснить, можно ли задействовать в эксперименте собственное магнитное окружение Земли.
Область между поверхностью Земли и ионосферой способна естественным образом резонировать с электромагнитными волнами, действуя как огромный резонатор. Исследователи разработали новую теоретическую модель, учитывающую электрическую проводимость атмосферы. Расчёты показали, что резонатор Земля‑ионосфера способен усиливать сигналы вблизи частоты 8 Гц. Используя эту модель, команда проанализировала примерно десять лет геомагнитных измерений, собранных с 2012 по 2022 год обсерваторией Эскдалмьюир Британской геологической службы.
Сначала исследователи удалили из данных искусственные источники помех. Затем они искали устойчивые сигналы, сосредоточенные в очень узком диапазоне частот, именно такие сигналы в течение длительного времени должна создавать ультралёгкая тёмная материя. Фактически используя всю Землю в качестве детектора для определённого диапазона масс аксионов, исследователи установили новые ограничения на силу взаимодействия аксионов со светом.
В наиболее чувствительной области эти ограничения оказались примерно в 100 раз строже предыдущего результата эксперимента CAST. Они также оказались конкурентоспособны по сравнению с ограничениями, полученными из рентгеновских астрофизических наблюдений обсерваторий Chandra и NuSTAR, хотя последние зависят от ряда теоретических предположений. Анализ также выявил несколько сигналов‑кандидатов, которые потенциально могут быть связаны с аксионной или темнофотонной тёмной материей. Однако источник этих сигналов пока неизвестен, а проведённый анализ не позволяет определить, вызваны ли они аксионами, тёмными фотонами или вообще не связаны с тёмной материей.
Таким образом, природа тёмной материи по‑прежнему остаётся загадкой. Однако новая теоретическая модель может расширить возможности будущих поисков, превратив естественную электромагнитную среду Земли в инструмент для изучения одних из самых лёгких возможных форм тёмной материи.
Источник: habr.com