Pământul devine un detector uriaș pentru materia întunecată: vânătoarea axionilor și a fotonilor întunecați

Adaugă-ne ca sursă preferată în Google Urmărește-ne pe Google News

Una dintre cele mai mari enigme ale fizicii moderne este natura materiei întunecate. Știm că ea există deoarece efectele sale gravitaționale sunt observate la scara galaxiilor și a întregului Univers, iar materia întunecată reprezintă aproximativ un sfert din conținutul energetic al cosmosului. Știm însă foarte puțin despre ceea ce este ea.

Printre candidații considerați cei mai interesanți se numără două particule ipotetice: axionii și fotonii întunecați. În domeniul de mase investigat în acest studiu, aceste particule ar fi de aproximativ 19–21 ordini de mărime mai ușoare decât electronul.

Un nou studiu propune o idee interesantă: în loc să construim în laborator un detector enorm pentru a căuta aceste particule, am putea folosi chiar Pământul și câmpul său magnetic ca pe un detector natural de materie întunecată.

Ce sunt axionii și fotonii întunecați?

Axionul este o particulă ipotetică introdusă inițial pentru a rezolva o problemă fundamentală din fizica particulelor, dar care a devenit ulterior și unul dintre cei mai interesanți candidați pentru materia întunecată.

Este extrem de ușor și, în anumite condiții, se poate transforma într-un foton în prezența unui câmp magnetic. Tocmai această proprietate stă la baza multor experimente care încearcă să detecteze materia întunecată.

Fotonul întunecat este un alt candidat ipotetic. El ar reprezenta o particulă asociată unei interacțiuni „ascunse”, foarte slab conectată cu materia obișnuită.

Ambele particule ar putea produce semnale electromagnetice extrem de slabe, dar detectabile în principiu dacă știm exact unde și cum să le căutăm.

Problema cu magneții din laborator

Experimentele convenționale pentru căutarea axionilor folosesc magneți foarte puternici. Ideea este următoarea: dacă un axion trece prin câmpul magnetic, o mică parte dintre aceste particule s-ar putea transforma în fotoni, producând un semnal electromagnetic caracteristic.

Există însă o limitare evidentă: chiar și cel mai mare magnet construit de oameni ocupă o regiune relativ mică din spațiu. Natura ne oferă însă un magnet incomparabil mai mare.

Pământul însuși are un câmp magnetic care se întinde pe mii de kilometri.

O echipă de cercetători de la Universitatea Kyoto, Universitatea Hiroshima și Universitatea Nihon s-a întrebat dacă acest câmp magnetic ar putea fi folosit ca parte a unui detector de materie întunecată. Răspunsul este: în anumite condiții, da.

Pământul ca detector

Ideea devine și mai interesantă datorită atmosferei.

Pământul și ionosfera formează împreună o cavitate electromagnetică naturală. Practic, această regiune se comportă într-o anumită măsură asemenea unei cavități rezonante: anumite frecvențe ale undelor electromagnetice pot fi amplificate.

Cercetătorii au dezvoltat un nou cadru teoretic pentru a descrie acest sistem, luând în calcul și conductivitatea electrică a atmosferei.

Calculele arată că această cavitate Pământ–ionosferă poate amplifica semnale în jurul frecvenței de 8 Hz și permite predicții până la aproximativ 30 Hz.

Este o regiune de frecvențe extrem de joasă, dar tocmai aici s-ar putea ascunde semnalul unor particule de materie întunecată ultraușoare.

Cum ar arăta semnalul?

Unul dintre aspectele interesante ale metodei este că axionii și fotonii întunecați nu ar produce exact același tip de semnal. În cazul axionilor, intensitatea semnalului ar trebui să depindă de poziția de pe Pământ. Cercetătorii se așteaptă ca anumite regiuni, în special Asia de Sud-Est, să prezinte semnale mai puternice.

Fotonii întunecați ar avea o semnătură diferită: semnalul electromagnetic ar trebui să fie aproximativ același indiferent de locul de pe Pământ unde este măsurat.

Aceste diferențe oferă astfel un posibil mod de a separa cele două scenarii.

O decadă de date magnetice

Pentru a căuta efectiv semnalul, cercetătorii au analizat aproximativ zece ani de măsurători ale câmpului geomagnetic, colectate între 2012 și 2022 la observatorul Eskdalemuir al British Geological Survey.

Datele magnetice reale sunt însă pline de zgomot.

Activitatea umană, instalațiile electrice, comunicațiile și alte surse artificiale pot produce perturbații electromagnetice care trebuie eliminate înainte ca un semnal extrem de slab să poată fi căutat.

Cercetătorii au curățat datele de aceste surse de zgomot și au căutat apoi o caracteristică foarte specifică: un semnal îngust în frecvență, stabil pe perioade lungi de timp, exact genul de semnal care ar putea fi produs de materia întunecată.

Analiza statistică a permis apoi stabilirea unor limite asupra proprietăților posibile ale axionilor și fotonilor întunecați.

Limite mai stricte pentru axioni

Rezultatul este remarcabil. Tratând întregul Pământ ca pe un detector pentru o anumită regiune de mase ale axionilor, cercetătorii au obținut limite asupra cuplării axionilor la lumină care sunt de aproximativ 100 de ori mai stricte decât cele obținute anterior de un experiment terestru.

Mai mult, aceste rezultate sunt comparabile cu limitele obținute din observații astrofizice în raze X, inclusiv cu ajutorul telescoapelor spațiale precum Chandra și NuSTAR.

Există însă o diferență importantă: interpretarea rezultatelor astrofizice depinde de anumite ipoteze privind mediile și procesele cosmice observate.

În cazul măsurătorilor geomagnetice, avem în schimb un sistem natural aflat chiar sub picioarele noastre.

Și fotonii întunecați?

Cercetătorii au aplicat același cadru teoretic și în căutarea fotonilor întunecați. Spre deosebire de axioni, aceștia pot produce unde electromagnetice chiar și în absența unui câmp magnetic extern. Prin urmare, semnătura lor ar trebui să fie diferită și să poată fi identificată în datele geomagnetice.

Analiza a identificat mai multe posibile semnale care, în principiu, ar putea avea o origine legată de materia întunecată.Dar atenție: un candidat nu înseamnă o descoperire.

Semnalele trebuie să fie confirmate independent și trebuie demonstrat că nu provin dintr-o sursă terestră sau dintr-un alt fenomen fizic cunoscut.

De ce este important?

Poate părea surprinzător că un observator geomagnetic, construit pentru a studia câmpul magnetic al Pământului, poate deveni un instrument pentru fizica particulelor și cosmologie.

Dar tocmai aceasta este frumusețea ideii. În loc să construim un detector din ce în ce mai mare și mai complex, putem folosi un „detector” natural care există deja: Pământul, câmpul său magnetic și ionosfera.

Această abordare deschide o nouă fereastră către căutarea materiei întunecate ultraușoare și permite explorarea unor regiuni de parametri care sunt dificil de accesat prin metode convenționale.

În plus, ea arată cât de strâns legate pot fi fenomenele de la scara planetei de întrebările fundamentale despre Univers.

Ce urmează?

Pentru moment, materia întunecată rămâne un mister. Nu știm încă dacă este alcătuită din axioni, fotoni întunecați, alte particule exotice sau dintr-o combinație de componente pe care încă nu le-am descoperit.

Noul cadru teoretic oferă o bază pentru o nouă generație de căutări.

În viitor, combinarea datelor de la mai multe observatoare geomagnetice din diferite regiuni ale lumii ar putea permite testarea mult mai precisă a semnalelor și a dependenței lor geografice.

Poate că, în căutarea uneia dintre cele mai misterioase componente ale Universului, nu va trebui întotdeauna să privim către cele mai îndepărtate galaxii sau să construim cele mai mari laboratoare.

Uneori, detectorul de care avem nevoie este chiar Pământul pe care trăim. Sursa: Detalii: academic.oup.com

Articol scris de Cătălina Oana Curceanu, director de cercetare în fizica particulelor elementare și fizica nucleară la Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia), și colaborator al Scientia.ro