Magneții puternici de laborator pot acoperi doar o regiune restrânsă în căutarea materiei întunecate. Când scara devine un obstacol, soluția fizicienilor s-a dovedit a fi la îndemână: cavitatea naturală dintre suprafața Pământului și ionosferă. Cercetători de la Universitatea din Kyoto, Universitatea din Hiroshima și Universitatea Nihon au transformat acest spațiu planetar într-un detector uriaș, identificând în 10 ani de măsurători geomagnetice primele semnale candidate ce ar putea proveni de la particule cosmice necunoscute.
Materia întunecată este unul dintre cele mai mari mistere nerezolvate ale fizicii moderne. Astronomii sunt extrem de convinși că există și estimează că reprezintă aproximativ un sfert din conținutul total de energie al universului, dar din ce e alcătuită încă nu se știe.
Două dintre ipotezele principale se referă la niște particule ipotetice numite axioni ultraușori și fotoni întunecați. În intervalul de masă examinat de cercetători, aceste particule ar fi cu aproximativ 19 până la 21 de ordine de mărime mai ușoare decât un electron.
Cum devine cavitatea Pământ-ionosferă un detector uriaș
Multe experimente tradiționale cu axioni încearcă să transforme axionii în fotoni expunându-i la câmpuri magnetice extrem de puternice, în laborator. Provocarea o reprezintă scara — de aici a pornit și întrebarea echipei, care s-a orientat spre mediul magnetic al planetei în locul echipamentelor de laborator.
„Ne-am întrebat dacă am putea folosi Pământul însuși ca un detector gigant în cadrul acestei căutări. Cavitatea Pământ-ionosferă acționează ca un rezonator natural care amplifică undele electromagnetice exact în jurul intervalului de masă pe care doream să-l sondăm.”, spune autorul corespondent Atsushi Taruya.
Zona dintre suprafața Pământului și ionosferă poate rezona în mod natural cu undele electromagnetice, asemănător unei cavități mari. Asta a făcut-o deosebit de utilă pentru căutarea semnalelor asociate cu particulele ultralegere pe care echipa dorea să le investigheze.
Depășirea pragului de 1 Hz și rezonanțele electromagnetice
Un obstacol a fost faptul că teoria anterioară putea descrie în mod fiabil doar frecvențele sub 1 Hz, ceea ce lăsa neexplorată o mare parte din intervalul potențial util.
Pentru a rezolva problema, cercetătorii au dezvoltat un nou cadru teoretic care include conductivitatea electrică a atmosferei. Calculele lor au arătat că cavitatea Pământ-ionosferă poate amplifica semnale în apropierea frecvenței de 8 Hz și le-au permis să facă previziuni fiabile până la aproximativ 30 Hz. Acest interval include frecvența fundamentală a rezonanței Schumann (aproximativ 7,83 Hz), fenomen electromagnetic natural generat de descărcările electrice globale, folosit aici ca amplificator pentru semnalele cosmice.
Modelul a prezis și o diferență importantă între cei doi candidați la titlul de materie întunecată. Semnalele produse de axioni ar trebui să varieze în funcție de locație, cele mai puternice fiind așteptate în Asia de Sud-Est. Semnalele fotonilor întunecați, în schimb, ar trebui să apară cu o intensitate aproape identică în întreaga lume.
Analiza datelor de la Observatorul Eskdalemuir din Scoția
Cu acest cadru, echipa a examinat aproximativ 10 ani de măsurători geomagnetice colectate între 2012 și 2022 de Observatorul Eskdalemuir al Serviciului Geologic Britanic.
Cercetătorii au eliminat mai întâi sursele artificiale de zgomot din date. Apoi au căutat tipul de semnal constant, concentrat într-un interval de frecvență foarte îngust, pe care se așteaptă ca materia întunecată să îl producă pe perioade lungi de timp. Rezultatele au fost supuse unei analize statistice.
Aceeași abordare teoretică a fost aplicată și fotonilor întunecați. Spre deosebire de axioni, aceștia pot produce unde electromagnetice chiar și în absența unui câmp magnetic, așa că echipa a căutat în setul de date semnăturile specifice pe care ar trebui să le creeze.
Limite de 100 de ori mai stricte pentru axioni și fotoni
Folosind în mod eficient întregul Pământ ca detector pentru o anumită gamă de mase ale axionilor, cercetătorii au stabilit noi limite privind intensitatea cu care axionii ar putea interacționa cu lumina.
Aceste limite erau de aproximativ 100 de ori mai stricte decât cel mai bun rezultat anterior obținut într-un experiment terestru. Erau, de asemenea, comparabile cu constrângerile deduse din observațiile astrofizice în raze X efectuate de observatoare precum Chandra și NuSTAR — deși limitele astrofizice depind de anumite ipoteze teoretice.
Căutarea fotonilor întunecați a produs un rezultat deosebit de intrigant. Cercetătorii au identificat mai mulți candidați la semnale care ar putea avea, potențial, o origine în materia întunecată. Sursa acestor semnale rămâne însă necunoscută, iar ele nu au fost confirmate ca dovezi ale existenței materiei întunecate. Pentru a tranșa dacă aceste semnale spectrale înguste provin din fizică necunoscută sau din anomalii magnetice locale, autorii au subliniat necesitatea unor măsurători corelate simultan în rețele de observatoare din emisfere diferite.
Așa că adevărata identitate a materiei întunecate rămâne nerezolvată. Noul cadru teoretic ar putea oferi însă cercetătorilor o modalitate puternică de a extinde căutările viitoare și de a folosi mediul electromagnetic natural al Pământului ca instrument pentru sondarea unora dintre cele mai ușoare forme posibile de materie întunecată.
Ce s-a mai descoperit în Univers?
Universul continuă să se extindă cu viteză tot mai mare, dar nimeni nu știe de ce
Dacă oamenii ar merge la Polul Sud lunar, microbii lăsați acolo ar putea rezista mai bine decât ne-am aștepta
Spațiu-timpul ar putea fi doar un strat al unei realități mai profunde, sugerează un fizician
Voyager 1 a aruncat o ultimă privire înapoi spre Pământ acum 36 de ani. Astăzi, imaginea este mai relevantă ca niciodată
