Японские ученые применили магнитное поле и атмосферу Земли в качестве масштабного планетарного детектора для обнаружения аксионов и темных фотонов – гипотетических частиц, составляющих темную материю. В ходе исследования точность измерений была увеличена в сотню раз, что позволило зафиксировать ряд ранее не зарегистрированных сигналов.

Аксионы и темные фотоны продолжают оставаться основными предполагаемыми кандидатами на роль темной материи, которая, по оценкам, составляет приблизительно четверть общей массы-энергии Вселенной, однако до сих пор избегает прямого обнаружения. В рассматриваемом диапазоне эти гипотетические частицы характеризуются чрезвычайно низкой массой – примерно на 19–21 порядок меньше массы электрона. Согласно существующим теоретическим представлениям, аксионы и темные фотоны способны преобразовываться в обычные электромагнитные волны при взаимодействии с естественными или искусственно созданными магнитными полями, что открывает возможность их регистрации.

В рамках стандартных лабораторных экспериментов ученые стремятся зафиксировать аксионы посредством их превращения в фотоны внутри магнитов высокой мощности. Тем не менее, размеры наземных установок накладывают ограничения на исследуемый объем пространства.

Группа исследователей из Киотского, Хиросимского и Университета Нихон (Япония) предложила использовать пространство между поверхностью Земли и ионосферой как естественный объемный резонатор, способствующий усилению электромагнитных колебаний. Под руководством Ацуси Таруи (Atsushi Taruya) была разработана теоретическая модель, учитывающая электрическую проводимость атмосферы.

Согласно результатам моделирования, планетарный резонатор способен усиливать сигналы на частотах до 30 герц. Кроме того, проведенные расчеты выявили различия в характеристиках предполагаемых частиц: аксионный сигнал должен демонстрировать изменение интенсивности в зависимости от географического положения, достигая максимума в районе Юго-Восточной Азии, в то время как темные фотоны должны генерировать однородную глобальную реакцию.

С целью подтверждения выдвинутой гипотезы специалисты провели анализ геомагнитных данных за период с 2012 по 2022 год, полученных обсерваторией Эскдалемюир, расположенной в Шотландии. После удаления из массива данных помех, вызванных деятельностью человека, физики обнаружили узкополосные всплески – выраженные электромагнитные сигналы на определенной частоте, которые не соответствовали случайному фоновому шуму.

В ходе исследования данных с целью выявления сигналов темных фотонов было обнаружено несколько потенциальных кандидатов в сигналы неизвестной природы. Последующие этапы исследований опубликовали в научном журнале Progress of Theoretical and Experimental Physics.

На данный момент зафиксированные аномалии ученые не рассматривают как прямое подтверждение существования темной материи, и требуют дополнительной проверки. Тем не менее, разработанный метод продемонстрировал высокую чувствительность к гипотетическим частицам и предоставил возможность использовать естественные электромагнитные поля Земли в фундаментальных физических исследованиях.