Фізики провели глобальний пошук темної матерії, перетворивши Землю на величезний детектор. Дослідження виявило десятки сигналів, які відповідають прогнозам певних типів гіпотетичних частинок, що можуть складати темну матерію.

Ці сигнали ще потребують перевірки, і є багато інших можливих пояснень, перш ніж їх можна буде вважати частинками темної матерії. Але це розумний експеримент, який надає нові підказки до одного з найбільш заплутаних космологічних питань.

Існує безліч доказів того, що у Всесвіті є більше, ніж те, що ми можемо бачити. Наші моделі розподілу видимої матерії не зовсім узгоджуються з її фактичним розподілом і рухом у реальному світі.

Фізики підозрюють, що існує ціла сфера невидимої матерії, яка додає свою масу до видимої, щоб створити спостережувані гравітаційні ефекти. Оскільки вона не відбиває і не випромінює світло, вчені дали їй назву "темна матерія".

Однак виявлення прогалини в моделях і заповнення її – це дві різні речі. І в цьому випадку існує цілий ряд потенційних частинок з різними характеристиками.

Одним з найбільш перспективних кандидатів є так званий аксіон. Ці частинки були вперше запропоновані в 1970-х роках для вирішення іншої проблеми в фізиці частинок, але фізики швидко зрозуміли, що якщо вони існують у певному діапазоні мас, вони також можуть заповнити прогалину темної матерії.

На відміну від багатьох інших кандидатів у темну матерію, аксіони, як передбачається, взаємодіють з електромагнітною силою – і це може бути тим, що видає їх.

Згідно з моделями, аксіони іноді розпадаються на фотони в сильних магнітних полях. Тому астрономи шукали сигнали навколо нейтронних зірок або супернових.

Але, згідно з серією недавніх статей фізиків з Японії, можливо, ми можемо подивитися ближче до дому.

"Ми запитали себе, чи можемо використовувати саму Землю як величезний детектор у пошуках темної матерії", – говорить теоретичний фізик Ацуші Таруя, автор усіх чотирьох статей.

"Земля-іоносферна порожнина діє як природний резонатор, який підсилює електромагнітні хвилі в масовому діапазоні, який ми хотіли дослідити".

Щоб дізнатися, дослідники проаналізували дані про магнітне поле Землі, зібрані Британською геологічною службою з 2012 по 2022 рік. Якщо аксіони дійсно проходять через планету, команда гіпотезує, що вони повинні резонувати між поверхнею Землі та іоносферою, генеруючи електромагнітні хвилі на частоті, що відповідає масі частинок.

Після врахування фонових шумів команда виявила 65 кандидатів сигналів аксіонів. Навіть після того, як вони посилили свої статистичні фільтри, у них залишилося 25 кандидатів.

Однак аксіони не є єдиними кандидатами в темну матерію, які може виявити ця техніка. Іншим претендентом є темний фотон, який, як вважається, є носієм сили в тіньовій сфері за межами Стандартної моделі.

На відміну від звичайних фотонів, з якими ми знайомі, темні фотони можуть мати масу і можуть взаємодіяти з магнітними полями подібно до аксіонів.

У подальшому дослідженні команда використала подібний метод для пошуку сигналів темних фотонів у тих же даних.

І знову дослідники повідомляють про кандидатів сигналів: до 342 за найслабшими критеріями, які звузилися до 31 з більш строгим співвідношенням сигналу до шуму.

Проблема, однак, полягає в тому, що цей метод не може розрізнити сигнали темних фотонів і аксіонів з поточними даними. Однією з основних відмінностей є те, що аксіони залежать від магнітного поля Землі для виробництва свого сигналу, тоді як темні фотони виробляли б свій сигнал з ним чи без нього.

Це відкриває шлях для перевірки того, яка (якщо така) форма темної матерії в даний час проходить через Землю. Якщо сигнал виглядає абсолютно однаково в будь-якій точці планети, це вказує на темні фотони.

Якщо ж сила сигналу варіює за місцем, це, швидше за все, аксіони. Це тому, що сила магнітного поля Землі варіює за місцем. Дослідники кажуть, що це повинно означати, що сигнал аксіонів послаблюється поблизу полюсів планети і є найсильнішим навколо Південно-Східної Азії.

На жаль, дані були зібрані з одного обсерваторії у Великій Британії, тому команда не може отримати глобальну перспективу. Але майбутні дослідження інших експериментів можуть допомогти пролити більше світла на темну матерію.

Цікавий факт

Темна матерія складає близько 27% маси Всесвіту, але досі залишається невидимою для всіх наших спостережень.