Ученые обращаются к магнитному полю Земли в поисках неуловимых кандидатов на роль темной материи

Согласно сообщению phys.org, исследователи обращаются к геомагнитному полю Земли как к огромному природному детектору для поиска темной материи, сосредоточив внимание на двух ведущих теоретических кандидатах в частицы — сверхлегких аксионах и темных фотонах.

Несмотря на десятилетия астрономических наблюдений, подтверждающих, что темная материя составляет примерно четверть общего энергосодержания Вселенной, фундаментальная природа этих невидимых сущностей остается неизвестной. В ходе традиционных лабораторных экспериментов годами предпринимались попытки создать или обнаружить частицы-кандидаты с помощью наземного оборудования, однако исследователи все чаще обращаются к явлениям планетарного масштаба, чтобы расширить пространство параметров поиска.

## Новое применение магнитных полей планет

Как сообщает phys.org, новый подход основан на принципиальном положении о том, что некоторые теоретические кандидаты на роль темной материи могут взаимодействовать с электромагнитными полями. Согласно теоретическим прогнозам, при прохождении через сильное магнитное поле такие частицы, как сверхлегкие аксионы или темные фотоны, превращаются в обычные фотоны, создавая крошечные, поддающиеся обнаружению электромагнитные сигналы.

Используя глобальное магнитное поле Земли — магнитосферу, простирающуюся на тысячи километров в космос, — физики могут фактически превратить всю планету в гигантский детектор частиц. Вместо того чтобы полагаться исключительно на искусственные магнитные поля, создаваемые лабораторными сверхпроводящими магнитами, которые физически ограничены в масштабах, исследователи могут анализировать едва заметные флуктуации данных о магнитном и электрическом полях планеты. Эта стратегия позволяет ученым исследовать диапазоны масс и константы связи, которые ранее были недостижимы с помощью наземного лабораторного оборудования.

## Загадка темной материи

Природа темной материи представляет собой одну из самых серьезных нерешенных проблем современной физики и космологии. Наблюдения за скоростями вращения галактик, гравитационным линзированием вокруг скоплений галактик и реликтовым излучением показывают, что на видимую материю — атомы, из которых состоят звезды, планеты и живые организмы, — приходится лишь около пяти процентов общего энергетического баланса Вселенной.

Темная материя составляет примерно 27 процентов, а оставшуюся часть занимает темная энергия. Поскольку темная материя не поглощает, не отражает и не излучает свет, о ее присутствии судят исключительно по ее гравитационному воздействию на видимые структуры во Вселенной. На протяжении десятилетий основным теоретическим кандидатом на роль темной материи была слабовзаимодействующая массивная частица, или ВИМП (WIMP). Однако, поскольку коллайдеры частиц высоких энергий и глубокие подземные детекторы так и не смогли обнаружить ВИМПы, внимание физического сообщества значительно сместилось в сторону альтернативных кандидатов, включая чрезвычайно легкие волноподобные частицы.

## Кандидаты под микроскопом

Среди этих альтернативных кандидатов в качестве основных объектов исследования выделились сверхлегкие аксионы и темные фотоны. Аксионы изначально были постулированы в конце 1970-х годов для решения теоретической дилеммы в квантовой хромодинамике, известной как сильная CP-проблема, которая касается того, почему сильные ядерные взаимодействия сохраняют зарядовую и пространственную четность. Позже физики-теоретики поняли, что если аксионы существуют, они должны были образоваться в огромных количествах на ранних этапах развития Вселенной, что делает их сильным кандидатом на роль темной материи.

Темные фотоны, напротив, представляют собой гипотетические частицы — переносчики взаимодействия, связанные с предполагаемым скрытым сектором физики. В то время как стандартные фотоны переносят электромагнитное взаимодействие для обычной материи, темные фотоны взаимодействовали бы преимущественно с другими частицами темного сектора, слабо смешиваясь со стандартными фотонами при определенных условиях. Как сверхлегкие аксионы, так и темные фотоны из-за их исключительно малых масс ведут себя скорее как когерентные классические волны, а не как отдельные дискретные частицы, что приводит к характерным волновым сигналам при взаимодействии с магнитными полями планет.

## Преимущества детекции в планетарном масштабе

Основное преимущество использования геомагнитного поля в качестве экспериментальной среды заключается в его огромном объеме. В экспериментах по физике частиц, направленных на поиск превращений полей, сила сигнала обычно пропорциональна напряженности магнитного поля, умноженной на объем области, на которую распространяется это поле.

Хотя рукотворные лабораторные детекторы, такие как галоскопы и гелиоскопы, могут создавать чрезвычайно сильные магнитные поля, эти поля ограничены объемами в несколько кубических метров или менее. Напротив, хотя магнитное поле Земли относительно слабое у поверхности — примерно от 25 до 65 микротесла, — оно простирается в пространстве на десятки тысяч километров. Этот колоссальный объем компенсирует меньшую напряженность поля, обеспечивая исключительную чувствительность к низкочастотным полям сверхлегкой темной материи.

Для поиска этих потенциальных сигналов исследователи могут использовать существующие сети наземных магнитометров, спутниковые наблюдения и специализированные станции радиочастотного мониторинга. Анализируя взаимные корреляции в данных, собранных в различных географических точках, ученые могут искать когерентные глобальные электромагнитные колебания, которые означали бы превращение частиц темной материи, проходящих через магнитосферу Земли.

## Значение для фундаментальной физики

Обнаружение аксионов или темных фотонов с помощью геомагнитных наблюдений стало бы крупнейшим прорывом в фундаментальной науке. Определение состава темной материи не только решило бы центральный космологический вопрос, но и предоставило бы первые прямые доказательства существования физики за пределами Стандартной модели — общепринятой теории, описывающей фундаментальные частицы и взаимодействия.

Даже если текущие геомагнитные поиски не приведут к немедленному прямому открытию, эта методология имеет важнейшее значение, поскольку накладывает новые строгие ограничения на возможную массу и силу взаимодействия кандидатов на роль темной материи. Установление более точных пределов помогает физикам-теоретикам совершенствовать свои модели и позволяет экспериментаторам сузить область, на которой следует сосредоточить технологии детекторов будущего.

## Что дальше

По мере совершенствования методов сбора данных и алгоритмов обработки сигналов исследователи планируют анализировать более широкие массивы данных как с наземных геомагнитных обсерваторий, так и с космических спутников. Ожидается, что междисциплинарное сотрудничество, объединяющее опыт в области физики частиц, геофизики и наблюдательной астрономии, сыграет ключевую роль в совершенствовании этих аналитических методов.

Будущая работа включает фильтрацию фонового шума, вызванного взаимодействием солнечного ветра, ионосферными токами и техногенными электромагнитными помехами, что позволит гарантировать, что любой обнаруженный сигнал можно будет однозначно связать с превращениями темной материи, а не с локальными геофизическими явлениями.

Эта статья была подготовлена с использованием материалов, опубликованных phys.org.