Следы темной материи могут быть в ионосфере Земли

Темная материя, которая, как предсказывают исследования, составляет большую часть массы Вселенной, остается неуловимой. Физики искали различные частицы, которые могли бы быть перспективными кандидатами на роль темной материи, такие как темные фотоны и аксионы, сосредоточившись на признаках, связанных с их присутствием или взаимодействием с другими частицами при определенных условиях.

Исследователи из Женевского университета, ЦЕРНа и Римского университета Ла Сапиенца (Sapienza University of Rome) недавно исследовали возможность поиска частиц темной материи, сосредоточившись на их прогнозируемом преобразовании в низкочастотные радиоволны в ионосфере Земли.

Их статья, опубликованная в Physical Review Letters, может открыть новые возможности для будущих поисков темной материи, выделив пространство параметров, которое до сих пор не было исследовано.

«Многие исследователи рассматривали резонансное преобразование кандидатов на сверхлегкую темную материю (ULDM, ultralight dark matter), таких как аксионы или темные фотоны, в фотоны стандартной модели в астрофизических средах», — говорит Карл Бидл, первый автор статьи.

«Это, например, исследовалось в нейтронных звездах, солнечной короне и даже на планетах солнечной системы, таких как Юпитер. Мы задались вопросом, может ли такой сигнал быть предоставлен нам из нашей местной, естественной плазмы: ионосферы. Учитывая, что она чрезвычайно хорошо контролируется и изучена, нам показалось, что это очень хорошее место для поиска».

Мы считаем, что эксперимент будет достаточно дешевым в производстве и проведении, и он позволит экспериментально исследовать большую часть теоретического пространства Карл Бидл

В теоретически мотивированных моделях большая часть или вся темная материя может состоять из аксионов или темных фотонов. Идея, предложенная Карлом Бидлом и его коллегами, заключается в том, что эти частицы могут превращаться в обычные фотоны в ионосфере, что сделает их обнаруживаемыми с помощью доступных антенн на Земле.

«Резонансное преобразование происходит, если масса частиц темной материи совпадает по значению с частотой, характеризующей плазму», — пояснил Карл Бидл. «Можно представить эту «плазменную частоту» как плотность свободных электронов в плазме, и поскольку эта плотность меняется с высотой в ионосферной плазме, это совпадение может произойти, если масса темной материи случайно попадает где-то в правильный диапазон».

Исследователи вычислили скорость преобразования для предсказанного ими сигнала, учитывая различные эффекты, которые могли бы его ослабить. Затем они сравнили фотоны, демонстрирующие этот сигнал, с шумом (т. е. несвязанными фотонами), которые могли достичь потенциальной антенны, чтобы оценить потенциал их подхода для обнаружения аксионов или темных фотонов в реальном эксперименте.

Их выводы предполагают, что электрически малая дипольная антенна может обнаружить ими предсказанный сигнал. Эту гипотезу можно будет проверить в будущих экспериментах.

«Следует подчеркнуть, что мы считаем, что этот эксперимент будет достаточно дешевым в производстве и проведении, и он позволит экспериментально исследовать большую часть теоретического пространства», — сказал Карл Бидл. «С этим предложением также связано меньше астрофизической неопределенности, поскольку ионосфера хорошо известна из-за ее расположения».

Исследование этой научной группы открывает новый путь для изучения неизведанных областей пространства параметров темной материи. Карл Бидл и его коллеги уже начали работать с другими физиками-экспериментаторами, чтобы планировать будущие поиски темной материи на основе их предсказаний.