Тёмная материя остаётся одной из главных загадок современной физики. Астрономы не сомневаются в её существовании и полагают, что на неё приходится около четверти всей энергии Вселенной, однако состав этого вещества до сих пор неизвестен. Среди основных гипотез — гипотетические сверхлёгкие частицы, которые называют аксионами и тёмными фотонами, чья масса может быть в 19–21 раз меньше массы электрона.
Традиционные эксперименты по поиску аксионов пытаются превратить их в фотоны, помещая частицы в сверхсильные магнитные поля, создаваемые в лабораториях. Главная сложность таких опытов заключается в масштабе: даже самые мощные магниты способны охватить лишь ограниченную область пространства. Учёные из Университета Киото, Университета Хиросимы и Университета Нихон предложили использовать для этих целей естественное магнитное поле Земли, превратив всю планету в гигантский детектор.
Как пояснил один из авторов исследования Ацуши Таруя, полость между поверхностью Земли и ионосферой действует как природный резонатор, усиливающий электромагнитные волны в нужном диапазоне частот. Однако прежние теоретические модели позволяли достоверно описывать только сигналы с частотой ниже одного герца, что оставляло значительную часть перспективного диапазона неизученной. Разработанная специалистами новая теоретическая основа учитывает электропроводность атмосферы и даёт возможность прогнозировать усиление сигналов вблизи восьми герц, а также делать надёжные расчёты вплоть до тридцати герц.
Модель предсказала и различия между двумя типами частиц: сигналы от аксионов должны зависеть от точки наблюдения и быть максимально сильными в Юго-Восточной Азии, тогда как тёмные фотоны должны давать почти одинаковый сигнал по всему земному шару. Для проверки этих расчётов исследователи использовали данные геомагнитных измерений, собранных обсерваторией Эскдалемюир Британской геологической службы за период с 2012 по 2022 год. После очистки данных от искусственных помех учёные искали устойчивый узкополосный сигнал, характерный для тёмной материи, и подвергли результаты статистическому анализу.
В ходе поиска аксионов исследователям удалось установить новые ограничения на силу их взаимодействия со светом, которые оказались примерно в сто раз жёстче предыдущих лабораторных результатов. Эти показатели сопоставимы с ограничениями, полученными по данным рентгеновских наблюдений астрофизических объектов, хотя последние зависят от ряда теоретических допущений. Поиски тёмных фотонов принесли неожиданный результат: было обнаружено несколько сигналов-кандидатов, которые потенциально могут иметь отношение к тёмной материи, однако их природа пока не установлена и подтверждения их связи с этим веществом нет.
Тайна состава тёмной материи, таким образом, остаётся нераскрытой. Тем не менее новая теоретическая модель, как отмечается в публикации на портале ScienceDaily, даёт исследователям инструмент для расширения будущих поисков и позволяет использовать естественную электромагнитную среду Земли для изучения самых лёгких возможных форм тёмной материи.