На рисунке показано, что волны темной материи (красный цвет) заставляют плазму ионосферы производить фотоны (зеленый цвет), которые распространяются вниз (влево) к поверхности Земли. Фото предоставлено: Physical Review Letters (2024 г.). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.251001.
Темная материя, которая, как считается, составляет большую часть массы Вселенной, остается чрезвычайно неуловимой. Физики искали различные частицы, которые могли бы стать многообещающими кандидатами в темную материю, такие как темные фотоны и аксионы, уделяя особое внимание признакам, связанным с их присутствием или взаимодействием с другими частицами при определенных условиях.
Исследователи из Женевского университета, ЦЕРН и Университета Сапиенца в Риме недавно изучили возможность поиска частиц темной материи, сосредоточившись на их предсказанном преобразовании в низкочастотные радиоволны в ионосфере Земли. Их статья, опубликованная в журнале Physical Review Letters, может открыть новые возможности для будущих поисков темной материи, выделив ранее неизведанное пространство параметров.
«Многие исследователи рассматривали возможность резонансного преобразования кандидатов в сверхлегкую темную материю (ULDM), таких как аксионы или темные фотоны, в фотоны стандартной модели в астрофизических средах», — рассказал Phys.org Карл Бидл, ведущий автор статьи.
«Это изучалось, например, на нейтронных звездах, солнечной короне и даже на планетах нашей Солнечной системы, таких как Юпитер. Мы спросили, может ли такой сигнал быть предоставлен нам нашей местной, естественной плазмой, ионосферой. Учитывая это, «за этим очень хорошо следят и понимают, нам показалось, что это очень хорошее место».
В теоретически обоснованных моделях большая часть или вся темная материя может состоять из аксионов или темных фотонов. Идея, предложенная Бидлом и его коллегами, заключается в том, что эти частицы могут превращаться в обычные фотоны в ионосфере, что позволит их обнаружить на Земле с помощью доступных антенн.
«Резонансное преобразование происходит, когда масса частиц темной материи соответствует частоте, характеризующей плазму», — объяснил Бидл. «Вы можете думать об этой «плазменной частоте» как о плотности числа свободных электронов в плазме, и поскольку эта плотность меняется с высотой в ионосферной плазме, это совпадение может произойти, если масса темной материи окажется где-то в правильном диапазоне. .» .
Исследователи рассчитали коэффициент конверсии предсказанного ими сигнала, приняв во внимание различные эффекты, которые могут его ослабить. Затем они сравнили фотоны, демонстрирующие этот сигнал, с шумом (то есть несвязанными фотонами), который мог бы достичь потенциальной антенны, чтобы оценить потенциал своего подхода для обнаружения аксионов темной материи или темных фотонов в реальном эксперименте.
Их результаты показывают, что электрически небольшая дипольная антенна могла бы обнаружить предсказанный ими сигнал. Эту гипотезу можно будет проверить в будущих экспериментах.
«Следует подчеркнуть, что мы считаем, что этот эксперимент будет относительно недорогим в производстве и проведении и позволит экспериментально исследовать большую часть теоретического пространства», — сказал Бидл. «С этим предложением также связано меньше астрофизических неопределенностей, поскольку ионосфера и ее местоположение хорошо известны».
Текущее исследование этой исследовательской группы открывает новый способ изучения неизвестных областей пространства параметров темной материи. Бидл и его коллеги уже начали работать с другими физиками-экспериментаторами над планированием будущих поисков темной материи на основе своих предсказаний.
«Мы были в контакте с различными экспериментальными группами, и уже есть данные, которые нам нужно изучить, чтобы найти наш сигнал», — добавил Бидл. «Есть и другие исследователи, заинтересованные в развитии нашего предложения. Теперь мы с нетерпением ждем совместной работы с экспериментаторами для проведения испытаний и одновременно работы над улучшением расчетов сигнала».
