Учёные-физики применили нашу планету в качестве огромного инструмента для обнаружения тёмной материи. Изучив более десяти лет данных о магнитном поле, полученных с одной шотландской обсерватории, исследователи обнаружили шестьдесят пять стабильных сигналов, которые не поддаются объяснению стандартными помехами. Одновременно они установили наиболее точные ограничения на характеристики аксионов – гипотетических частиц, рассматриваемых как основные компоненты тёмной материи. О результатах исследования сообщается в журнале Progress of Theoretical and Experimental Physics.

Аксионы представляют собой чрезвычайно лёгкие частицы с крайне слабым взаимодействием с обычной материей, что позволяет им беспрепятственно проходить сквозь неё. В случае их существования, они способны объяснить приблизительно 85% массы Вселенной, которая остаётся невидимой и неощущаемой для нас, но проявляет себя посредством гравитации. Согласно теоретическим представлениям, при прохождении аксионов через Землю происходит взаимодействие с её глобальным магнитным полем, что приводит к возникновению электромагнитных волн в диапазоне сверхнизких частот – от долей герца до нескольких единиц герц.

Вместо возведения новых дорогостоящих приборов для регистрации сигналов, специалисты использовали информацию с магнитометров обсерватории Эскдалемюр, расположенной на юге Шотландии. С сентября 2012 года по ноябрь 2022 года эти инструменты фиксировали изменения в магнитном поле со скоростью сто раз в секунду. Полученный массив данных был разделен на девять тысяч девяносто восьмичасовых интервалов, и во каждом из них искали устойчивый узкий пик с постоянной частотой – именно так должен выглядеть сигнал от аксионов; обычный шум же со временем изменяется.

На первом этапе анализа было выявлено более 800 потенциальных сигналов. После проверки их присутствия в каждом году наблюдений, а не только при усреднении данных за весь период, количество кандидатов уменьшилось до трёхсот семидесяти пяти. Затем были отфильтрованы частоты, характерные для электронных устройств, и осталось шестьдесят пять сигналов. Каждый из них прошёл все этапы проверки, однако подтвердить их истинность не представляется возможным: данные получены только с одного места расположения; чтобы быть уверенными в регистрации аксионов, требуется одновременное наблюдение того же сигнала на различных магнитометрах по всему миру.

В тех случаях, когда не было обнаружено надёжных индикаторов, исследователи применили метод отсутствия регистрации для определения максимального значения силы взаимодействия аксионов и световых квантов. При массе, приблизительно равной 3×10 ^-14электронвольт – что соответствует частоте около 7,8 герц – установленный предел оказался наиболее строгим среди всех непосредственных измерений в данной области спектра. Он демонстрирует точность на порядок выше, чем результат европейского эксперимента CAST, который ранее признавался эталонным.

Основное достоинство методики заключается в том, что она базируется исключительно на воспроизводимых условиях земной поверхности и не предполагает каких-либо предположений относительно магнитных полей, присутствующих в удалённых галактических скоплениях – фактора, используемого при некоторых косвенных оценках. Этот эффект подкрепляется резонансами Шумана — глобальными электромагнитными колебаниями между поверхностью Земли и ионосферой, которые «усиливают» предсказываемый сигнал в рассматриваемом диапазоне частот.

В качестве последующего этапа планируется проверка 65 потенциальных источников данных с использованием магнитометров других обсерваторий по всему миру. Если хотя бы один из сигналов будет подтверждён повторными измерениями, это станет весомым аргументом в пользу существования аксионов. Кроме того, данная работа создаёт фундамент для поиска иных форм ультралёгкой тёмной материи, например, тёмных фотонов, применяя аналогичный подход к анализу.