Земля стала детектором тёмной материи: как шотландские магнитометры искали аксионы

Физики обнаружили 65 загадочных сигналов

Физики применили саму Землю в качестве огромного детектора тёмной материи. Изучив более десяти лет измерений магнитного поля с одной обсерватории в Шотландии, они выявили 65 стабильных сигналов, которые не удалось объяснить обычными помехами, одновременно установив самый строгий прямой предел на свойства аксионов — гипотетических частиц, которые могут составлять основу тёмной материи. Результаты были опубликованы в журнале Progress of Theoretical and Experimental Physics.

Аксионы — это крайне лёгкие частицы, которые почти не взаимодействуют с обычным веществом и без труда проходят сквозь него. Если они действительно существуют, то могут объяснить около 85% массы Вселенной, которая невидима и неощущаема, но проявляет себя через гравитацию. Согласно теории, когда аксионы проникают в Землю, они должны взаимодействовать с её глобальным магнитным полем, создавая сверхнизкочастотные электромагнитные волны с частотой от долей герца до нескольких герц.

Вместо создания новых дорогостоящих детекторов команда решила использовать данные магнитометров обсерватории Эскдалемюр на юге Шотландии (Eskdalemuir Observatory), которые с сентября 2012 года по ноябрь 2022 года фиксировали колебания магнитного поля со скоростью 100 раз в секунду. Весь массив данных был разделён на 9909 восьмичасовых фрагментов, и в каждом искали устойчивый узкий пик на постоянной частоте — именно так должен выглядеть сигнал от аксионов, в то время как обычный шум со временем дрейфует.

Первичный отбор выявил более 800 кандидатов. После проверки, что сигнал присутствует в каждом году наблюдений, а не только в среднем за весь период, их количество сократилось до 375. Затем были отсеяны подозрительно ровные частоты, создаваемые самой электроникой, и осталось 65 сигналов. Каждый из них прошёл все фильтры, но подтвердить их подлинность невозможно: данные получены лишь с одной точки, а для уверенного обнаружения аксионов тот же сигнал должен фиксироваться одновременно на различных магнитометрах планеты.

Где не было найдено достоверных сигналов, авторы использовали отсутствие обнаружения, 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 строгим среди всех прямых измерений в данном диапазоне. Он в 100 раз точнее, чем результаты европейского эксперимента CAST, ранее считавшегося наилучшим.

Преимущество данного подхода заключается в том, что он опирается исключительно на воспроизводимые земные условия и не требует предположений о магнитных полях в далеких галактических скоплениях, на которых основываются 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 станет проверка 65 кандидатов по данным магнитометров в других обсерваториях по всему миру. Если хотя бы один сигнал повторится в разных местах, это станет аргументом в пользу открытия аксионов. Исследование также закладывает основу для поиска других форм ультралёгкой тёмной материи, таких как тёмные фотоны, применяя ту же методику анализа.