Загадочный сигнал вокруг Земли может оказаться темной материей

Исследователи разработали метод поиска темной материи, использующий Землю в качестве гигантского детектора. Источник: AI/ScienceDaily.com

Темная материя остается одной из самых больших нерешенных загадок современной физики. Астрономы уверены в ее существовании и оценивают, что на нее приходится около четверти всей энергии Вселенной, однако ученые до сих пор не знают, из чего она состоит.

Двумя основными кандидатами являются гипотетические частицы — ультралегкие аксионы и темные фотоны. В диапазоне масс, изученном исследователями, эти частицы были бы невероятно легкими — примерно в 10^19–10^21 раз легче электрона.

Превращение Земли в гигантский детектор темной материи

Многие традиционные эксперименты по поиску аксионов пытаются превратить их в фотоны, подвергая воздействию чрезвычайно сильных магнитных полей в лабораториях. Проблема в масштабе: даже мощные лабораторные магниты могут охватить лишь относительно небольшую область.

Исследователи из Университета Киото, Университета Хиросимы и Университета Нихон нашли способ обойти это ограничение. Вместо того чтобы полагаться только на лабораторное оборудование, они задались вопросом, можно ли использовать магнитное окружение Земли как часть эксперимента.

«Мы спросили себя, можем ли мы использовать саму Землю в качестве гигантского детектора в поисках», — говорит автор исследования Ацуши Таруя. — «Полость Земля-ионосфера действует как естественный резонатор, усиливая электромагнитные волны как раз в том диапазоне масс, который мы хотели исследовать».

Область между поверхностью Земли и ионосферой может естественным образом резонировать с электромагнитными волнами, подобно большой полости. Это сделало ее особенно полезной для поиска сигналов, связанных с ультралегкими частицами.

Расширение поиска на более высокие частоты

Одним из препятствий было то, что предыдущая теория могла надежно описывать только частоты ниже 1 Гц. Это оставляло значительную часть потенциально полезного частотного диапазона неизученной.

Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали новую теоретическую основу, учитывающую электропроводность атмосферы. Их расчеты показали, что полость Земля-ионосфера может усиливать сигналы вблизи 8 Гц, что позволило делать надежные прогнозы до примерно 30 Гц.

Модель также предсказала важное различие между двумя кандидатами в темную материю. Сигналы, производимые аксионами, должны меняться в зависимости от местоположения, причем самые сильные ожидаются в Юго-Восточной Азии. Сигналы темных фотонов, напротив, должны появляться почти с одинаковой силой по всему миру.

Десятилетие магнитных данных под проверкой

Используя эту основу, команда изучила примерно 10 лет геомагнитных измерений, собранных в период с 2012 по 2022 год обсерваторией Эскдалемуир Британской геологической службы.

Исследователи сначала удалили искусственные источники шума из данных. Затем они искали устойчивый сигнал, сосредоточенный в очень узком частотном диапазоне, который темная материя должна производить в течение длительных периодов времени. Результаты были подвергнуты статистическому анализу.

Тот же теоретический подход был применен и к темным фотонам. В отличие от аксионов, темные фотоны могут производить электромагнитные волны даже без магнитного поля, поэтому исследователи искали в наборе данных другую сигнатуру, которую должны создавать эти частицы.

Более строгие ограничения и загадочные кандидаты в сигналы

Эффективно используя всю Землю в качестве детектора для определенного диапазона масс аксионов, исследователи установили новые ограничения на то, насколько сильно аксионы могут взаимодействовать со светом. Эти ограничения оказались примерно в 100 раз жестче, чем предыдущий лучший результат наземного эксперимента. Они также были сопоставимы с ограничениями, полученными из астрофизических рентгеновских наблюдений обсерваторий Chandra и NuSTAR, хотя эти астрофизические ограничения зависят от определенных теоретических допущений.

Поиск темных фотонов дал особенно интригующий результат. Исследователи выявили несколько кандидатов в сигналы, которые потенциально могут иметь происхождение из темной материи. Однако источник этих сигналов остается неизвестным, и они не были подтверждены как доказательство существования темной материи.

Таким образом, истинная природа темной материи остается невыясненной. Тем не менее, новая теоретическая основа может дать исследователям мощный способ расширить будущие поиски и использовать естественную электромагнитную среду Земли как инструмент для изучения некоторых из самых легких возможных форм темной материи.

Источники:

Материалы предоставлены Университетом Киото.

Ацуши Таруя, Ацуши Нишизава, Йошиаки Химемото. Сигнатура аксионной темной материи в низкочастотных наземных электромагнитных полях: формулировка и предсказания. Progress of Theoretical and Experimental Physics, 2026; 2026 (7) DOI: 10.1093/ptep/ptag097

Ацуши Нишизава, Ацуши Таруя, Йошиаки Химемото. Поиск аксионной темной материи по наземным магнитным полям на сверхнизких частотах. Progress of Theoretical and Experimental Physics, 2026; 2026 (7) DOI: 10.1093/ptep/ptag108

Кимихиро Номура, Ацуши Нишизава, Ацуши Таруя, Йошиаки Химемото. Поиск темной материи темных фотонов по наземным магнитным полям. Physical Review D, 2026; 113 (10) DOI: 10.1103/kw4j-8v12

Ацуши Таруя, Ацуши Нишизава, Йошиаки Химемото. Охота за сигнатурами аксионной темной материи в низкочастотных наземных магнитных полях. Progress of Theoretical and Experimental Physics, 2025; 2025 (11) DOI: 10.1093/ptep/ptaf136