Căutarea de materie întunecată a însemnat, zeci de ani, laboratoare tot mai mari și mai scumpe. O echipă japoneză a mers în direcția opusă: în loc să construiască un detector, l-a folosit pe cel mai mare aflat deja la îndemână. Planeta însăși.
Rezultatul, publicat în două reviste de fizică, aduce cele mai stricte limite obținute vreodată de la sol pentru una dintre variantele de materie întunecată și, pe deasupra, câteva semnale pe care nimeni nu le poate explica deocamdată.
Cum se caută materie întunecată cu un detector cât o planetă
Materia întunecată reprezintă aproximativ un sfert din conținutul energetic al universului. Astronomii sunt convinși că există, pentru că îi văd efectele gravitaționale asupra galaxiilor, dar nimeni nu știe din ce este făcută.
Două dintre cele mai serioase ipoteze sunt axionii ultraușori și fotonii întunecați. În intervalul de masă studiat de cercetători, aceste particule ar fi de la 19 până la 21 de ordine de mărime mai ușoare decât un electron. Cu alte cuvinte, de un miliard de miliarde de ori mai ușoare, și încă de câteva ori pe deasupra.
Experimentele clasice pentru axioni încearcă să îi transforme în fotoni, expunându-i la câmpuri magnetice foarte puternice. Problema e că nici cel mai puternic magnet de laborator nu acoperă decât un volum mic. Echipele de la Universitatea Kyoto, Universitatea Hiroshima și Universitatea Nihon au căutat o cale de ocolire.
„Ne-am întrebat dacă am putea folosi Pământul însuși drept detector uriaș în această căutare. Cavitatea Pământ-ionosferă se comportă ca un rezonator natural care amplifică undele electromagnetice exact în intervalul de masă pe care voiam să îl explorăm”, explică Atsushi Taruya, autorul corespondent al studiului, într-un comunicat al Universității Kyoto.
Publicitate
Spațiul dintre suprafața planetei și ionosferă chiar funcționează ca o cutie de rezonanță. Fenomenul e cunoscut de la mijlocul secolului trecut sub numele de rezonanțele Schumann, iar modul fundamental se află în jurul valorii de 7,83 Hz. Aici se leagă totul: exact în acea zonă de frecvență ar trebui să apară semnalul căutat.
Teoria se oprea sub 1 Hz
Obstacolul era că modelele anterioare descriau credibil doar frecvențele sub 1 Hz. Restul intervalului util rămânea neacoperit.
Cercetătorii au construit un cadru teoretic nou, care include conductivitatea electrică a atmosferei. Calculele au arătat că respectiva cavitate amplifică semnalele în jurul valorii de 8 Hz și au permis predicții solide până spre 30 Hz.
Modelul a scos la iveală și o deosebire utilă între cei doi candidați. Semnalele produse de axioni ar trebui să varieze în funcție de locul măsurătorii, cu intensitate maximă în Asia de Sud-Est. Fotonii întunecați, în schimb, ar produce un semnal aproape identic oriunde pe glob. Este exact genul de diferență care permite separarea celor două ipoteze fără ambiguitate.
Zece ani de măsurători magnetice, trecute prin sită
Echipa a analizat aproximativ un deceniu de date geomagnetice, culese între 2012 și 2022 la observatorul Eskdalemuir al British Geological Survey, din sudul Scoției. Locul nu a fost ales la întâmplare: observatorul funcționează din 1908 tocmai pentru că zona are un fond magnetic neobișnuit de liniștit.
Primul pas a fost eliminarea surselor artificiale de zgomot. Apoi cercetătorii au căutat tipul de semnal pe care materia întunecată ar trebui să îl producă: constant, concentrat într-o bandă de frecvență foarte îngustă și persistent pe durate lungi. Rezultatele au trecut apoi printr-o analiză statistică.
Aceeași metodă a fost aplicată și fotonilor întunecați. Aceștia au un avantaj practic: pot genera unde electromagnetice chiar și în absența unui câmp magnetic, așa că amprenta lor este diferită și se poate căuta separat.
Limite de o sută de ori mai stricte și câteva semnale nelămurite
Folosind practic întreaga planetă pe post de detector, cercetătorii au stabilit limite noi pentru intensitatea cu care axionii ar putea interacționa cu lumina, într-un anumit interval de mase.
Aceste limite sunt de aproximativ o sută de ori mai stricte decât cel mai bun rezultat obținut anterior de un experiment terestru. Sunt, în plus, comparabile cu restricțiile deduse din observațiile în raze X făcute de telescoape precum Chandra și NuSTAR, cu mențiunea că acele limite astrofizice depind de câteva presupuneri teoretice suplimentare.
Partea cea mai interesantă vine însă din căutarea fotonilor întunecați. Echipa a identificat mai mulți candidați de semnal care ar putea, teoretic, să aibă origine în materia întunecată. Sursa lor rămâne necunoscută, iar cercetătorii sunt expliciți: nu au fost confirmate ca dovezi ale materiei întunecate.
Rezultatele au apărut în Progress of Theoretical and Experimental Physics și în Physical Review D.
Ce urmează
Identitatea materiei întunecate rămâne, deci, nerezolvată. Ce se schimbă este instrumentarul: cadrul teoretic nou permite folosirea mediului electromagnetic natural al planetei ca unealtă de căutare, într-un interval de frecvențe care până acum era inaccesibil.
Există și un avantaj practic deloc neglijabil. Observatoarele geomagnetice funcționează de peste un secol în zeci de locuri din lume și înregistrează continuu. Dacă predicția privind variația geografică a semnalului de axioni se confirmă, o rețea de asemenea observatoare ar putea deveni un detector distribuit, fără să fie nevoie de un singur euro investit în magneți noi.
Am scris anterior despre prima observație directă revendicată a materiei întunecate și despre fenomenul inexplicabil pe care cercetătorii îl pun pe seama ei.
