Земля стала детектором тёмной материи: более 10 лет магнитометры в Шотландии искали следы аксионов в магнитном поле планеты
Физики использовали саму Землю как гигантский детектор тёмной материи. Проанализировав более 10 лет измерений магнитного поля с одной обсерватории в Шотландии, они выявили 65 стабильных сигналов, которые не смогли объяснить обычными помехами, и одновременно установили самый строгий прямой предел на свойства аксионов — гипотетических частиц, претендующих на роль основных составляющих тёмной материи. Результат опубликован в журнале Progress of Theoretical and Experimental Physics.
Физики нашли 65 загадочных сигналов
Аксионы — это крайне лёгкие частицы, которые почти не взаимодействуют с обычным веществом и проходят сквозь него беспрепятственно. Если они существуют, то в совокупности могут объяснить около 85% массы Вселенной, невидимой и неощущаемой, но проявляющей себя гравитационно. Согласно теории, когда аксионы пронизывают Землю, они должны взаимодействовать с её глобальным магнитным полем, порождая сверхнизкочастотные электромагнитные волны — с частотой от долей герца до нескольких герц.
Изображение сгенерировано: Nano Banana
Вместо строительства новых дорогостоящих детекторов команда использовала данные магнитометров обсерватории Эскдалемюр на юге Шотландии (Eskdalemuir Observatory), которые с сентября 2012 года по ноябрь 2022 года регистрировали колебания магнитного поля с частотой 100 раз в секунду. Весь массив разбили на 9909 восьмичасовых фрагментов и искали в каждом устойчивый узкий пик на постоянной частоте — так должен выглядеть сигнал от аксионов, тогда как обычный шум со временем дрейфует.
Первичный отбор дал более 800 кандидатов. После проверки, что сигнал присутствует в каждом годе наблюдений, а не только в среднем по всему сроку, их число сократилось до 375. Затем отсеяли подозрительно ровные частоты, которые обычно порождает сама электроника, и осталось 65 сигналов. Каждый из них пережил все фильтры, но подтвердить их подлинность невозможно: данные получены лишь с одной точки, а для уверенной регистрации аксионов тот же сигнал должен наблюдаться одновременно на разных магнитометрах планеты.
Там, где достоверных сигналов не нашлось, авторы использовали отсутствие детектирования, чтобы вычислить верхний предел силы взаимодействия аксионов с фотонами. Для массы около 3×10-14 электронвольт, что соответствует частоте примерно 7,8 герца, полученный предел оказался самым жёстким среди всех прямых измерений в этом диапазоне. Он в 100 раз точнее, чем результат европейского эксперимента CAST, ранее считавшийся лучшим.
Преимущество подхода в том, что он опирается исключительно на воспроизводимые земные условия и не требует допущений о магнитных полях в далёких галактических скоплениях, на которых строятся некоторые косвенные оценки. Наблюдение усиливается эффектом резонансов Шумана — глобальных электромагнитных колебаний между поверхностью Земли и ионосферой, которые «усиливают» предсказанный сигнал именно в исследуемом диапазоне частот.
Следующим шагом должна стать проверка 65 кандидатов по данным магнитометров в других обсерваториях мира. Если хотя бы один сигнал повторится в нескольких местах, то это станет аргументом в пользу открытия аксионов. Работа также закладывает основу для поиска других форм ультралёгкой тёмной материи, например тёмных фотонов, используя ту же методику анализа.