Чтобы искать тёмную материю, физики строят огромные подземные детекторы, запускают телескопы в космос и создают сверхчувствительные приборы, способные заметить почти неуловимые частицы. Но группа японских исследователей решила использовать детектор, который уже существует и превосходит размерами любой созданный человеком прибор. Им стала сама планета Земля.
Учёные из Киотского, Хиросимского и Нихонского университетов выяснили, что магнитное поле планеты вместе с пространством между её поверхностью и ионосферой может работать как гигантский естественный резонатор. Если некоторые предполагаемые частицы тёмной материи действительно постоянно проходят сквозь Землю, они теоретически должны оставлять в нём чрезвычайно слабый, но характерный электромагнитный след. Об этом говорится в сообщении Киотского университета.
Исследователи проверили эту идею на десяти годах измерений магнитного поля. И среди огромного количества данных, ранее считавшихся помехами, обнаружили десятки сигналов, которые соответствуют некоторым из ожидаемых признаков. Пока никто не утверждает, что тёмная материя найдена. Но сама возможность искать её с помощью всей планеты уже дала результаты, превосходящие некоторые предыдущие наземные эксперименты.
Детектор размером с планету
Тёмную материю невозможно увидеть непосредственно. Она не светится и не поглощает свет так, как обычное вещество, однако её присутствие выдаёт гравитация. Без дополнительной невидимой массы физикам не удается объяснить, например, движение звёзд внутри галактик и формирование крупных структур Вселенной.
По современным оценкам, на тёмную материю приходится около 85% всей материи во Вселенной. Но из чего именно она состоит, физики до сих пор не знают.
Среди возможных кандидатов есть аксионы — гипотетические чрезвычайно лёгкие частицы. Если такие частицы составляют окружающую нас тёмную материю, они должны беспрепятственно проходить через Землю в огромных количествах.
При этом аксион способен взаимодействовать с электромагнитным полем. Поэтому в сильном магнитном поле может возникнуть крайне слабая электромагнитная волна. Обычно для поиска такого эффекта физикам приходится создавать мощные магниты в лабораториях.
Но у Земли уже есть собственное магнитное поле, причём оно окружает целую планету.
«Мы спросили себя, можем ли мы использовать саму Землю в качестве гигантского детектора», — объяснил один из авторов работ, физик Ацуси Таруя из Киотского университета.
Поверхность Земли и ионосфера образуют своего рода гигантскую электромагнитную полость. Волны определённых частот могут многократно распространяться внутри неё и усиливаться за счёт резонанса. Расчёты исследователей показали, что особенно заметным этот эффект должен становиться в районе нескольких герц, с выраженным усилением примерно около 8 Гц.
Именно здесь след гипотетической частицы может стать немного легче заметить.
Что нашли в данных за 10 лет наблюдений
Чтобы проверить расчёты, исследователи воспользовались измерениями обсерватории Эскдалмьюр в Великобритании, где непрерывно фиксируются колебания магнитного поля Земли.
Учёные проанализировали данные с сентября 2012-го по ноябрь 2022 года. Записи разбивали на восьмичасовые участки, отсеивали мощные кратковременные помехи и известные искусственные сигналы, а затем искали очень узкие и устойчивые пики определённых частот. Всего в анализ вошло 9909 пригодных восьмичасовых отрезков наблюдений. Подробности опубликованы в Progress of Theoretical and Experimental Physics.
Причина такой стратегии проста. Если нашу галактику действительно заполняет огромное количество сверхлёгких аксионов, их воздействие не должно выглядеть как редкий одиночный всплеск. Исследователи ожидали обнаружить устойчивый сигнал практически одной частоты, сохраняющийся на протяжении долгого времени.
Такие сигналы нашлись.
После серии фильтров исследователи оставили 65 кандидатов с отношением сигнал/шум выше 3, которые соответствовали заданным критериям поиска аксионов.
И термин «кандидат» здесь принципиально важен.
Неизвестный пик в данных вовсе не означает, что через Землю удалось непосредственно зарегистрировать частицу тёмной материи. Магнитные измерения чрезвычайно чувствительны к природным и техногенным помехам, а некоторые особенности старой измерительной аппаратуры обсерватории тоже могут создавать подозрительные линии в спектре.
Авторы поэтому не называют ни один из обнаруженных сигналов доказательством существования аксионов.
Темный фотон
Тем же способом физики попробовали искать другой гипотетический компонент тёмной материи — так называемый тёмный фотон.
Обычный фотон переносит электромагнитное взаимодействие и не имеет массы. В некоторых расширениях Стандартной модели может существовать его чрезвычайно слабо взаимодействующий «тёмный» аналог. Если такие тёмные фотоны заполняют пространство вокруг нас, они тоже способны создавать слабые магнитные колебания.
Анализ тех же многолетних данных снова обнаружил множество возможных сигналов. При мягких критериях отбора их было более трёх сотен. Исследователи подчёркивают, что значительная часть таких линий вполне может иметь техногенное или земное происхождение, однако сами измерения позволили установить новые ограничения на свойства возможных тёмных фотонов.
Именно это пока является наиболее надёжным научным результатом эксперимента.
Для аксионов новый метод позволил примерно в 100 раз улучшить прежние наземные ограничения на силу их взаимодействия со светом в исследованном диапазоне масс. По данным Киотского университета, чувствительность приблизилась даже к ограничениям, полученным с помощью рентгеновских космических наблюдений.
То есть даже если все загадочные сигналы в итоге окажутся шумом, эксперимент уже оказался полезным.
Теперь сигналы нужно искать в других местах Земли
Ученые нашли довольно красивый способ проверить, что именно увидели исследователи.
Если сигнал создают аксионы, его сила должна зависеть от магнитного поля Земли. Поэтому в разных частях планеты он должен выглядеть по-разному. Расчёты показывают, что особенно сильным аксионный сигнал может быть в районе Юго-Восточной Азии.
Для тёмных фотонов картина должна быть другой: предполагаемый сигнал гораздо слабее зависит от местного геомагнитного поля и должен выглядеть более одинаково в разных точках планеты.
Проблема нынешней работы в том, что десятилетний набор данных был получен практически в одной точке — в британской обсерватории Эскдалмьюр.
Поэтому следующим шагом может стать сравнение одновременно нескольких геомагнитных станций в разных регионах мира. Если одна и та же узкая частота появится на разных континентах и будет меняться именно так, как предсказывает теория, объяснить её локальной помехой станет значительно сложнее.
И тогда идея планетарного детектора станет буквальной: отдельные магнитные станции будут работать как датчики огромного прибора размером с Землю.
