Земля как гигантский детектор темной материи: новый эксперимент учёных

Концепция природного детектора

Исследователи из международной группы предложили рассматривать Землю как огромный резонатор, способный усиливать слабые электромагнитные возмущения, связанные с гипотетическими частицами тёмной материи. В основе идеи лежит взаимодействие магнитного поля планеты, её атмосферы и проводящей ионосферы, образующих полость, в которой могут усиливаться колебания определённых частот.

Главный автор исследования, Ацуши Таруя, отметил, что масштаб планеты предоставляет уникальные возможности, недоступные лабораторным установкам.

Теоретический фундамент

В работе, опубликованной в журнале PTEP, рассматриваются два типа частиц: аксионы и тёмные фотоны. Оба кандидата могут объяснить свойства тёмной материи, но их взаимодействие с электромагнитным полем различается. Аксионы требуют наличия магнитного поля Земли, поэтому их сигналы должны зависеть от географической позиции наблюдателя. Тёмные фотоны, напротив, не нуждаются в внешнем поле и их проявления должны быть одинаковыми по всей планете.

Модель предсказывает, что резонатор между поверхностью и ионосферой будет усиливать волны в диапазоне частот до 30 Гц, с пиковым усилением около 8 Гц.

Анализ геомагнитных данных

Для проверки гипотезы учёные проанализировали десятилетний набор геомагнитных записей, полученных в обсерватории Эскдалемир (Шотландия) за период 2012‑2022 годов. После удаления техногенного шума исследователи искали стабильные узкополосные колебания, которые сохраняются годами, в отличие от кратковременных всплесков.

• Не было обнаружено сигнала, соответствующего предсказанным характеристикам аксионов.
• Отсутствие подтверждённого сигнала позволило установить ограничения на взаимодействие аксионов со светом в 100 раз строгее, чем в предыдущих наземных экспериментах.
• Для тёмных фотонов выявлены несколько устойчивых кандидатов, однако их природа остаётся неясной и может быть связана с локальными помехами или особенностями оборудования.

Полученные ограничения сопоставимы с результатами орбитальных рентгеновских телескопов Chandra и NuSTAR.

Перспективы дальнейших исследований

Авторы подчёркивают необходимость расширения сети геомагнитных станций по всему миру, чтобы отличать глобальный сигнал тёмной материи от локальных шумов. Совместные наблюдения в разных регионах, особенно в Юго‑Восточной Азии, где модель предсказывает наибольшую чувствительность к аксионам, могут дать более однозначные результаты.

Если гипотетический резонатор действительно усиливает сигналы тёмной материи, то планета может стать самым крупным детектором в истории физики, открывая новые возможности для изучения фундаментальных составляющих Вселенной.