Когато цялата планета стане детектор

Представи си следното.

Учените търсят тъмна материя от десетилетия. Става дума за нещата, които съставляват около 27% от общата енергия на Вселената — а никой никога не я е открил пряко. Дори веднъж. Виждали сме яфектите ѝ навсякъде — галактики, които се въртят странно, светлина, която се огъва в празното пространство, цялата космическа структура, която се държи заедно, когато вероятно не би трябвало. Но никога не сме хванали самата материя.

И така, представи си моята радост, когато попаднах на изследване, което по същество казваше: "Ами ако вместо да строим миниатюрни детектори в лаборатории, използваме... цялата планета?"

Яко, нали?

Търсенето получава креативно обновление

Ето каква е работата. Традиционните експерименти за тъмна материя се опитват да засекат тези хипотетични частици — наречени аксиони или тъмни фотони — като ги превръщат в регистрируеми фотони чрез невероятно силни магнитни полета. Проблемът? Тези магнити са малки. Наистина малки в сравнение с огромността на пространството, което се опитваме да проучим.

Но изследователи от Киотски университет, Университета в Хирошима и Университета Нихон имаха много по-амбициозна идея. Питали се: "Ами ако използваме магнитната среда на Земята?"

Както каза изследователят Ацуши Таруя: "Попитахме се дали можем да използваме Земята като гигантски детектор в търсенето на тъмна материя."

Ключовата идея? Пространството между земната повърхност и йоносферата действа като естествен резонатор. Представи си тялото на акустична китара — то естествено усилва вибрациите при определени честоти. Кухината Земя-йоносфера прави нещо подобно с електромагнитни вълни, но за честотите в онази зона, която изследователите искаха да изследват.

Тук става наистина интересно

Но имаше един проблем. Предишните теоретични модели можеха надеждно да описват само честоти под 1 херц. Това оставяше огромни части от потенциално полезния честотен диапазон напълно неизследван.

Затова екипът направи това, което правят добрите учени — създаде по-добър модел. Като взеха предвид електрическата проводимост на земната атмосфера, те разшириха прогнозите си до около 30 херца. Изчисленията им показаха, че кухината Земя-йоносфера може да усилва сигнали около 8 херца — и това стана тяхната целева честота.

Ето и една готина подробност: моделът им предвиди, че аксионите и тъмните фотони ще се държат различно. Сигналите от аксиони трябва да варират в зависимост от мястото на измерване на Земята, като най-силните сигнали се очакват в Югоизточна Азия. Сигналите от тъмни фотони обаче трябва да се появяват с приблизително еднаква сила навсякъде по света.

Десет години магнитни данни, един мистериозен резултат

Екипът взе около десетгодишни геомагнитни измервания от Обсерваторията Ескдейлмуир на Британската геологическа служба (2012-2022), внимателно премахна целия шум, създаден от човека, и започна да търси онзи вид постоянен, тясночестотен сигнал, който тъмната материя би трябвало да произведе за дълги периоди.

За аксионите търсенето им постави ограничения около 100 пъти по-строги от всеки предишен наземен експеримент. Това е огромно — означава, че могат да изключат много по-широк диапазон от възможности за това колко силно аксионите могат да взаимодействат със светлината.

Но търсенето на тъмни фотони? Там нещата станаха наистина интригуващи.

Те откриха няколко кандидат-сигнала, които може би имат произход от тъмна материя.

Уловката? Източникът на тези сигнали остава напълно неизвестен. Те не са потвърдени като тъмна материя. Може да са нещо съвсем друго — някакво атмосферно явление, което не разбираме напълно, някакъв фин инструментален артефакт, или просто космическо съвпадение.

Какво означава всичко това?

Честно? Означава, че сме в наистина вълнуваща фаза на изследванията на тъмната материя. Не сме разкрили мистерията — истинската идентичност на тъмната материя си остава толкова неуловима, колкото винаги.

Но това, което този екип показа, е, че можем да бъдем много по-креативни в начина, по който търсим. Естествената електромагнитна среда на Земята може да е един от най-добрите ни инструменти за проучване на ултралека тъмна материя — частици толкова леки, че са с около 19 до 21 порядъка по-леки от един единствен електрон. (Да, прочете правилно. Двадесет и един порядъка. Невъобразимо леки.)

Раамбълт, който те разработиха, може да помогне на бъдещите изследователи да разширят търсенията си по начини, които просто не бяха възможни преди.

И онзи мистериозен сигнал? Може да е нищо. Може да е всичко. И в двата случая, именно поради такива причини физиката е толкова безкрайно fascinaща.

Понякога Вселената ни изненадва на най-неочакваните места — дори в пространството между земята под краката ни и небето над главите ни.