Entä jos maapallo olisi yksi valtava dark matter -ilmaisin?

Kuvittele tätä hetki.

Tutkijat ovat metsästäneet pimeää ainetta vuosikymmeniä. Puhumme aineesta, joka muodostaa noin 27 prosenttia universumin kokonaisenergiasta — mutta kukaan ei ole koskaan havainnut sitä suoraan. Ei yhtään kertaa. Olemme nähneet sen vaikutukset kaikkialla (galaksien omituinen pyöriminen, valon taipuminen tyhjässä avaruudessa, koko kosminen rakenne pysyy koossa, vaikka sen ei pitäisi), mutta emme ole koskaan todella saaneet kiinni tuota ainetta.

Joten kuvittele iloni, kun törmäsin tutkimukseen, joka käytännössä sanoi: "Entä jos pienten laboratoriotutkimusten sijaan käyttäisimme koko planeettaa?"

Aika villiä, eikö?

Metsästys saa luovan päivityksen

Tässä on juttu. Perinteiset pimeän aineen kokeet yrittävät havaita nämä hypoteettiset hiukkaset — aksionit tai pimeät fotonit — muuttamalla ne havaittaviksi fotoneiksi uskomattoman vahvojen magneettikenttien avulla. Ongelma? Nämä magneetit ovat pieniä. Oikeasti pieniä verrattuna avaruuden äärettömyyteen, jota yritämme tutkia.

Mutta Kioton, Hiroshiman ja Nihon-yliopiston tutkijat keksivät paljon kunnianhimoisemman idean. He kysyivät itseltään: "Entä jos käyttäisimme Maan omaa magneettista ympäristöä?"

Kuten tutkija Atsushi Taruya asian muotoili: "Kysyimme itseltämme, voisimmeko käyttää Maata itsessään valtavana ilmaisimena pimeän aineen etsinnässä."

Avainhavainto? Alue Maan pinnan ja ionosfäärin välissä toimii kuin valtava luonnollinen resonaattori. Ajattele sitä akustisen kitaran rungon tavoin — se vahvistaa luonnollisesti tiettyjen taajuuksien värähtelyjä. Maa-ionosfäärikaviteetti tekee saman sähkömagneettisille aalloille, mutta niillä taajuuksilla, joita tutkijat halusivat tutkia.

Tässä alkaa tapahtua todella mielenkiintoista

Oli kuitenkin ongelma. Aiemmat teoreettiset mallit pystyivät kuvaamaan luotettavasti vain alle 1 Hz:n taajuuksia. Se jätti valtavat hyödylliset taajuusalueet kokonaan tutkimatta.

Joten tiimi teki sen, mitä hyvät tiedemiehet tekevät — he rakensivat paremman mallin. Ottamalla huomioon Maan ilmakehän sähkönjohtavuuden he laajensivat ennusteensa aina noin 30 Hz:iin asti. Heidän laskelmansa osoittivat, että Maa-ionosfäärikaviteetti voisi vahvistaa signaaleja noin 8 Hz:n ympärillä — ja siitä tuli heidän kohdetaajuutensa.

Ja tässä on hyvä yksityiskohta: heidän mallinsa ennusti, että aksionit ja pimeät fotonit käyttäytyisivät eri tavalla. Aksionisignaalien pitäisi vaihdella sen mukaan, missä päin maapalloa mittaukset tehdään, ja vahvimmat signaalit odotetaan Kaakkois-Aasiassa. Pimeiden fotonien signaalit sen sijaan pitäisi näkyä suunnilleen samalla voimakkuudella kaikkialla maailmassa.

Kymmenen vuotta magneettidataa, yksi mystinen tulos

Tutkijat keräsivät noin kymmenen vuoden geomagneettiset mittaukset British Geological Surveyn Eskdalemuirin observatoriosta (2012–2022), poistivat huolellisesti kaiken ihmisen tekemän kohinan ja alkoivat etsiä sellaista tasaista, kapeataajuusista signaalia, jonka pimeä aine pitäisi tuottaa pitkien ajanjaksojen aikana.

Aksionien osalta heidän etsintänsä asetti rajoituksia noin 100 kertaa tiukemmin kuin mikään aiempi maanpäällinen koe. Se on valtava edistysaskel — se tarkoittaa, että he pystyivät sulkemaan pois paljon laajemman mahdollisuuksien kirjan sille, kuinka voimakkaasti aksionit voisivat vuorovaikuttaa valon kanssa.

Mutta pimeiden fotonien etsintä? Siinä asiat alkoivat todella kiinnostaa.

He löysivät useita signaalikandidaatteja, jotka voisivat olla pimeän aineen alkuperää.

Väännetään rautaa: näiden signaalien lähde pysyy täysin tuntemattomana. Niitä ei ole vahvistettu pimeäksi aineeksi. Ne voivat olla jotain aivan muuta — jokin ilmakehäilmiö, jota emme täysin ymmärrä, jokin hienovarainen instrumenttiartefakti tai ehkä vain kosminen yhteensattuma.

Mitä tämä kaikki tarkoittaa?

Rehellisesti? Se tarkoittaa, että olemme todella jännittävässä vaiheessa pimeän aineen tutkimusta. Emme ole vielä ratkaisseet mysteeriä — pimeän aineen todellinen identiteetti on yhä yhtä tavoittamaton.

Mutta mitä tämä tiimi osoitti, on että voimme olla paljon luovempia etsintätavoissamme. Maan luonnollinen sähkömagneettinen ympäristö saattaa olla yksi parhaista työkaluistamme ultrakevyen pimeän aineen tutkimiseen — hiukkaset niin kevyitä, että ne ovat suunnilleen 19–21 kertaluokkaa kevyempiä kuin yksittäinen elektroni. (Kyllä, luit oikein. Kaksikymmentäyksi kertaluokkaa. Käsittämättömän kevyitä.)

Heidän kehittämänsä viitekehys voisi auttaa tulevia tutkijoita laajentamaan etsintöjään tavalla, joka ei ollut aiemmin mahdollista.

Ja tuo mystinen signaali? Se ei välttämättä ole mitään. Se voi olla kaikki kaikessa. Joka tapauksessa juuri tällaiset syyt tekevät fysiikasta niin loputtoman kiehtovaa.

Joskus universumi yllättää meidät odottamattomimmissa paikoissa — jopa siinä tilassa, joka on jalkojemme alla olevan maan ja päämme yllä olevan taivaan välissä.