Физики превратили всю планету в детектор тёмной материи — и поймали десятки сигналов, которые могут всё изменить
Тринадцатое сентября 2026 года. Мысль, лежащая в основе новой работы японских физиков, звучит почти как абсурд: взять Землю целиком — её атмосферу, её магнитное поле, её ионосферу — и использовать как один гигантский прибор для ловли частиц, которых никто никогда не видел. И всё же именно это было сделано. Причём эксперимент не просто состоялся: он принёс десятки сигналов-кандидатов, совпадающих с предсказаниями для некоторых типов гипотетических частиц, из которых, возможно, состоит тёмная материя.
Сигналы ещё нуждаются в проверке. У них есть множество других возможных объяснений, помимо тёмной материи. Но сама идея — остроумна, а новые подсказки — заманчивы. Речь идёт об одной из самых головоломных космологических задач.
Доказательств того, что Вселенная не сводится к видимому, более чем достаточно. Наши модели того, как видимая материя распределена и движется в космосе, не вполне совпадают с её фактическим распределением и движением в реальности. Физики подозревают, что существует целая область невидимой материи, которая вносит свою массу в массу видимого, порождая наблюдаемые гравитационные эффекты. Поскольку она не отражает и не испускает свет, учёные дали ей выразительное имя — «тёмная материя».
Но обнаружить пробел в моделях и заткнуть его — две разные вещи. В данном случае существует целый спектр потенциальных «затычек» с разными характеристиками. Один из самых многообещающих кандидатов — так называемый аксион. Эти частицы были впервые предложены в семидесятых годах для решения другой задачи физики элементарных частиц, но вскоре физики поняли: если они существуют в определённом диапазоне масс, то могут закрыть и брешь тёмной материи.
В отличие от многих других кандидатов в тёмную материю, аксионы, согласно предсказаниям, взаимодействуют с электромагнитной силой — и именно это может их выдать. Согласно моделям, аксионы иногда должны распадаться на фотоны в сильных магнитных полях. Поэтому астрономы искали их следы вокруг нейтронных звёзд и сверхновых.
Но, согласно серии недавних работ японских физиков, возможно, стоит посмотреть ближе к дому. «Мы спросили себя, нельзя ли использовать саму Землю как гигантский детектор в этих поисках, — говорит физик-теоретик Ацуси Таруя, автор всех четырёх работ. — Полость между Землёй и ионосферой действует как естественный резонатор, усиливающий электромагнитные волны как раз в том диапазоне масс, который мы хотели исследовать».
Чтобы выяснить это, исследователи проанализировали данные о магнитном поле Земли, собранные Британской геологической службой с 2012 по 2022 год. Если аксионы действительно омывают планету и проходят сквозь неё, предполагает команда, они должны резонировать между поверхностью Земли и ионосферой, порождая электромагнитные волны на частоте, соответствующей массе частиц.
Поскольку десятилетия прежних исследований довольно жёстко ограничили возможные массы аксионов, учёные проверили десятилетний массив данных на сигналы в этом узком диапазоне. После учёта фонового шума команда выявила 65 сигналов-кандидатов на аксионы. Даже после ужесточения статистических фильтров осталось 25 кандидатов.
Но аксионы — не единственный кандидат в тёмную материю, который способна уловить эта методика. Другой претендент — тёмный фотон, которому приписывают роль переносчика силы в теневой области за пределами Стандартной модели (общепринятой теории, описывающей известные элементарные частицы и их взаимодействия). В отличие от обычных фотонов, к которым мы привыкли, тёмные фотоны могут обладать массой и взаимодействовать с магнитными полями подобно аксионам.
В последующем исследовании команда применила похожий метод для поиска сигналов тёмных фотонов в тех же данных. И снова сообщается о сигналах-кандидатах: целых 342 при самых мягких критериях, которые сузились до 31 при более строгом соотношении сигнала к шуму.
Проблема, однако, в том, что при текущих данных этот метод не позволяет отличить сигналы тёмных фотонов от сигналов аксионов. Одно из главных различий: аксионы зависят от магнитного поля Земли при генерации своего сигнала, тогда как тёмные фотоны производили бы его и с полем, и без него.
Это открывает путь к проверке того, какая именно форма тёмной материи — если таковая вообще есть — сейчас протекает сквозь Землю. Если сигнал выглядит одинаково в любой точке планеты, это указывает на тёмные фотоны. Если же сила сигнала меняется от места к месту, это скорее аксионы. Причина в том, что напряжённость магнитного поля Земли неодинакова в разных точках. Исследователи говорят, что из этого следует: сигнал аксионов должен ослабевать вблизи полюсов планеты и быть strongest (наиболее сильным) в районе Юго-Восточной Азии.
К сожалению, данные были собраны одной обсерваторией в Великобритании, поэтому команда не может получить такую глобальную перспективу. Но будущие исследования других экспериментов могли бы пролить больше света на тёмную материю.
Три работы об аксионах опубликованы в журнале «Прогресс теоретической и экспериментальной физики», а исследование тёмных фотонов — в «Физикал Ревью Ди».
