Исследование ионосферы Земли на предмет сигналов преобразования темной материи

Рисунок, показывающий, что волны темной материи (красные) заставляют плазму ионосферы производить фотоны (зеленые), которые распространяются вниз (влево) к поверхности Земли. Автор: Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.251001

Темная материя, которая, как предсказывают, составляет большую часть массы Вселенной, остается крайне неуловимой. Физики искали различные частицы, которые могли бы быть перспективными кандидатами на роль темной материи, такие как темные фотоны и аксионы, сосредоточившись на признаках, связанных с их присутствием или взаимодействием с другими частицами при определенных условиях.

«Многие исследователи рассматривали резонансное преобразование кандидатов на сверхлегкую темную материю (ULDM), таких как аксионы или темные фотоны, в фотоны стандартной модели в астрофизических средах», — рассказал Карл Бидл, первый автор статьи, в интервью Phys.org.

«Это, например, исследовалось в нейтронных звездах, солнечной короне и даже на планетах нашей солнечной системы, таких как Юпитер. Мы задались вопросом, может ли такой сигнал быть предоставлен нам из нашей местной, естественной плазмы: ионосферы. Учитывая, что она чрезвычайно хорошо отслеживается и понимается, нам показалось, что это очень хорошее место для поиска».

В теоретически мотивированных моделях большая часть или вся темная материя может состоять из аксионов или темных фотонов. Идея, предложенная Бидлом и его коллегами, заключается в том, что эти частицы могут превращаться в обычные фотоны в ионосфере, что сделает их обнаруживаемыми с помощью доступных антенн на Земле.

«Резонансное преобразование происходит, если масса частиц темной материи совпадает по значению с частотой, характеризующей плазму», — пояснил Бидл. «Можно представить эту «плазменную частоту» как плотность свободных электронов в плазме, и поскольку эта плотность меняется с высотой в ионосферной плазме, это совпадение может произойти, если масса темной материи случайно попадает где-то в правильный диапазон».

Исследователи вычислили скорость преобразования для предсказанного ими сигнала, учитывая различные эффекты, которые могли бы его ослабить. Затем они сравнили фотоны, демонстрирующие этот сигнал, с шумом (т. е. несвязанными фотонами), которые могли достичь потенциальной антенны, чтобы оценить потенциал их подхода для обнаружения аксионов темной материи или темных фотонов в реальном эксперименте.

Их выводы предполагают, что электрически малая дипольная антенна может обнаружить их предсказанный сигнал. Эту гипотезу можно будет проверить в будущих экспериментах.

«Следует подчеркнуть, что мы считаем, что этот эксперимент будет достаточно дешевым в производстве и проведении, и он позволяет экспериментально исследовать большую часть теоретического пространства», — сказал Бидл. «С этим предложением также связано меньше астрофизической неопределенности, поскольку ионосфера хорошо известна и из-за ее расположения».

Недавнее исследование этой группы исследователей открывает новый путь для изучения неизведанных областей пространства параметров темной материи. Бидл и его коллеги уже начали работать с другими физиками-экспериментаторами, чтобы планировать будущие поиски темной материи на основе их предсказаний.

«Мы контактировали с различными экспериментальными группами, и у нас есть уже имеющиеся данные, которые нужно рассортировать, чтобы найти наш сигнал», — добавил Бидл. «Есть и другие исследователи, заинтересованные в разработке нашего предложения. Теперь мы очень рады сотрудничать с экспериментаторами для проведения тестов, а также работать над улучшением расчетов для сигнала».

Больше информации: Carl Beadle et al, Resonant Conversion of Wave Dark Matter in the Ionosphere, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.251001.