Аксионы и темные фотоны: ученые проанализировали геомагнитные данные за 10 лет и нашли аномалии

Исследователи предложили использовать магнитное поле и атмосферу Земли в качестве гигантского детектора для поиска ультралегкой темной материи. Теоретическая модель и последующий анализ геомагнитных данных позволили ужесточить ограничения на взаимодействие аксионов со светом, однако обнаруженные сигналы потенциальных "темных фотонов" требуют дополнительной проверки.

Земля как природный резонатор

Работа посвящена поиску аксионов и темных фотонов — гипотетических частиц, которые могут составлять темную материю. В рассматриваемом диапазоне масс эти частицы в 19-21 раз легче электрона. Из-за крайне малой массы они ведут себя не как отдельные частицы, а как слабая осциллирующая область (поле), окружающая Землю.

Обычно для поиска аксионов используют мощные лабораторные магниты, которые должны преобразовать их в фотоны. Однако охват таких установок ограничен. Авторы работы предложили использовать магнитное поле планеты и полость между поверхностью Земли и проводящим слоем ионосферы. Эта система работает как природный резонатор, который может усиливать электромагнитные волны определенных частот.

Новая теоретическая модель учитывает переменную электрическую проводимость атмосферы. Это позволило расширить диапазон прогнозирования сигналов: если прежние модели были надежны только до 1 Гц, то новая схема охватывает частоты до 30 Гц, с наибольшим усилением сигнала в районе 8 Гц.

"Природный резонатор, созданный ионосферой, позволяет искать сигналы темной материи без строительства гигантских магнитов, но успех зависит от того, насколько точно мы можем отсечь земные помехи", — отметил учёный-физик Дмитрий Лапшин.

Метод анализа и данные обсерватории

Для проверки гипотезы исследователи проанализировали геомагнитные данные за десятилетний период (с 2012 по 2022 год), собранные в обсерватории Эскдейлмур (Британская геологическая служба). Процесс анализа включал несколько этапов:

• Очистка данных от известных антропогенных шумов.
• Поиск устойчивых сигналов в крайне узком частотном диапазоне.
• Сравнение полученных спектров с теоретическими предсказаниями для аксионов и темных фотонов.

Узкий диапазон критически важен: если сигнал вызван полем ультралегкой темной материи, его частота должна быть строго определена массой частицы и оставаться стабильной годами, в отличие от случайных всплесков или природных помех.

Что обнаружили и чего не доказали

Поиск аксионов не дал положительного результата. Однако отсутствие сигнала позволило ученым установить более строгие верхние границы взаимодействия этих частиц со светом. Для определенного диапазона масс новые наземные ограничения оказались примерно в 100 раз жестче, чем лучшие результаты предыдущих земных экспериментов.

В случае с темными фотонами результат оказался неоднозначным. Было выявлено несколько устойчивых сигналов-кандидатов. Однако авторы подчеркивают: эти данные не являются доказательством обнаружения темной материи. Сигналы могут быть вызваны особенностями работы оборудования или неизвестными факторами окружающей среды.

Эта таблица показывает, что работа с аксионами привела к уточнению физических констант, а поиск темных фотонов — к обнаружению аномалий, природа которых пока неясна.

Перспективы глобального мониторинга

Теоретически сигнал аксиона должен меняться в зависимости от положения наблюдателя на Земле (наибольшая чувствительность ожидается в Юго-Восточной Азии). Сигнал темного фотона, напротив, должен быть более однородным по всей планете. Это различие позволяет отделять один тип частиц от другого.

Работа подтверждает возможность использования планетарной инфраструктуры в качестве физического прибора. Для окончательного подтверждения природы найденных сигналов необходимо создать сеть из геомагнитных обсерваторий по всему миру. Сопоставление данных с разных континентов позволит отличить глобальный сигнал темной материи от локальных шумов.

В итоге исследование не решило загадку темной материи, но предложило новый метод её поиска. Главным ограничением остается сложность отделения сверхслабых космических сигналов от земных помех. Для верификации результатов потребуется синхронный анализ данных из нескольких географически удаленных точек первоисточник исследования.