Naucnici koristili Zemljinu atmosferu kao div detektor tamne materije

Tim naučnika sa univerziteta u Kjotu, Hirosimi i Nihonu iskoristio je Zemljino magnetno polje i atmosferu kao detektor veličine planete u potrazi za tamnom materijom. Istrazivanje je značajno pooostrilo granice za jednu vrstu hipotetičkih čestica i otkrilo nekoliko neobjašnjenih signala koji bi mogli poticati od druge.

Tamna materija je jedna od najvećih neriješenih zagonetki savremene fizike - naučnici su gotovo sigurni da postoji i čini oko četvrtinu ukupne energije u svemiru, ali jos ne znaju od čega je sačinjena. Dva vodeća kandidata su hipotetičke čestice poznate kao ultralaki aksioni i tamni fotoni, koje bi bile izuzetno lagane - oko 19 do 21 red veličine laganije od elektrona.

Klasicni eksperimenti pokušavaju da pretvore aksione u fotone izlažući ih izuzetno jakim magnetnim poljima u laboratorijama, ali cak i najjači magneti pokrivaju samo ograničen prostor. Istrazivaci su zato postavili pitanje da li se sama Zemlja može iskoristiti kao dio eksperimenta.

'Zapitali smo se da li možemo da koristimo samu Zemlju kao ogroman detektor u ovoj potrazi', rekao je autor studije Acusi Taruja. 'Supljina između Zemljine površine i jonosfere djeluje kao prirodni rezonator koji pojačava elektromagnetne talase upravo u opsegu masa koji smo željeli da ispitamo.'

Ranija teorija je mogla pouzdano da opise samo frekvencije ispod 1 Hz, sto je ostavljalo veliki dio korisnog opsega neistraženim. Naucnici su razvili novi teorijski okvir koji uključuje električnu provodljivost atmosfere, sto je pokazalo da šupljina između Zemlje i jonosfere može da pojaca signale blizu 8 Hz i omogućilo pouzdana predviđanja do oko 30 Hz.

Model je predvidio i vaznu razliku između dva kandidata za tamnu materiju - signali aksiona bi trebalo da variraju u zavisnosti od lokacije, sa najjačim očekivanim u jugoistočnoj Aziji, dok bi signali tamnih fotona trebalo da budu podjednako jaki sirom svijeta. Tim je analizirao oko deset godina geomagnetnih mjerenja prikupljenih između 2012. i 2022. godine na opservatoriji Eskdalemuir Britanskog geološkog zavoda.

Nakon uklanjanja vještačkih izvora suma iz podataka, istraživači su tražili stabilan signal koncentrisan u vrlo uskom frekventnom opsegu, kakav bi tamna materija trebalo da proizvodi tokom dužeg vremena. Ogranicenja za interakciju aksiona sa svjetlošću su oko 100 puta stroža od dosadašnjeg najboljeg rezultata dobijenog u laboratorijskim eksperimentima, a uporediva su i sa granicama izvedenim iz astrofizičkih posmatranja rendgenskih opservatorija poput Cendre i NuSTAR-a.

Potraga za tamnim fotonima dala je posebno zanimljiv rezultat - istraživači su identifikovali nekoliko kandidata za signal koji bi mogli poticati od tamne materije, ali njihovo porijeklo za sada ostaje nepoznato i nije potvrđeno kao dokaz. Identitet tamne materije i dalje ostaje neriješen, ali novi teorijski okvir može da posluzi kao alat za buduća istraživanja koja bi koristila Zemljino prirodno elektromagnetno okruženje.