Темная материя остается одной из главных загадок современной физики. Ученые уверены в ее существовании и полагают, что на ее долю приходится около четверти всей энергии Вселенной, однако состав этого вещества до сих пор неизвестен. Среди основных гипотез — гипотетические сверхлегкие аксионы и темные фотоны, масса которых может быть в десятки миллиардов раз меньше массы электрона.
Традиционные эксперименты по поиску аксионов пытаются превратить их в фотоны с помощью сверхсильных магнитных полей в лабораториях, но их масштабы ограничены. Исследователи из Университета Киото, Университета Хиросимы и Университета Нихон предложили использовать магнитное поле Земли для этих целей. Полость между поверхностью планеты и ионосферой действует как естественный резонатор, усиливая электромагнитные волны в нужном диапазоне масс.
Прежние теории описывали только частоты ниже одного герца, что оставляло большой диапазон неизученным. Ученые разработали новую теоретическую модель, учитывающую электропроводность атмосферы, что позволило делать надежные прогнозы до 30 герц. Расчеты показали, что сигналы от аксионов должны различаться в зависимости от места наблюдения, а сигналы от темных фотонов — быть одинаковыми по всей планете.
Специалисты проанализировали данные геомагнитных измерений обсерватории Эскдалемуир Британской геологической службы за период с 2012 по 2022 год. После удаления искусственных помех они искали устойчивый сигнал в узком диапазоне частот, характерный для темной материи. Аналогичный подход применили и для поиска темных фотонов, которые могут создавать волны без магнитного поля.
Использование Земли в качестве детектора позволило установить новые ограничения на взаимодействие аксионов со светом, которые оказались примерно в сто раз жестче предыдущих наземных результатов. Поиск темных фотонов выявил несколько сигналов-кандидатов, которые могут иметь отношение к темной материи, но их природа пока не подтверждена. Разработанная теоретическая модель открывает возможности для расширения будущих исследований с использованием естественной электромагнитной среды планеты.
