«Апостериори»: Физики предложили использовать Землю в качестве детектора тёмной материи
Новости науки и технологий
Поддержите «Эхо», если вы не в России
Физики рассчитали, какой сигнал аксионная тёмная материя может создавать в магнитном поле Земли. Оказалось, что в некоторых диапазонах масс этот сигнал должен усиливаться благодаря резонансам между поверхностью Земли и ионосферой.
Аксионы – это гипотетические элементарные частицы, которые рассматриваются как одни из кандидатов на роль тёмной материи. Изначально их существование было предложено для решения так называемой сильной CP-проблемы в квантовой хромодинамике, однако позднее выяснилось, что частицы с похожими свойствами могут одновременно объяснять природу тёмной материи.
Одно из важных свойств аксионов – возможность их взаимодействия с электромагнитным полем. На этом основаны многие эксперименты по их поиску: обычно для этого создают сильное магнитное поле. Однако авторы новой работы предлагают использовать для таких экспериментов магнитное поле нашей планеты.
В исследовании, опубликованном в мае 2026 года в журнале Progress of Theoretical and Experimental Physics, физики из Японии разработали модель, описывающую взаимодействие аксионной тёмной материи с магнитным полем Земли. Если тёмная материя действительно состоит из аксионов, их поле должно совершать когерентные колебания. В присутствии магнитного поля эти колебания создают чрезвычайно слабый переменный электрический ток, а вместе с ним – электромагнитные волны.
Их частота зависит от массы аксиона. Например, для массы 10⁻¹⁴ электронвольта она составляет примерно 2,4 герца. При этом ожидаемый сигнал должен быть практически монохроматическим – в спектре магнитного поля он будет выглядеть как очень узкий пик на определённой частоте. Его относительная ширина может составлять всего около одной миллионной от самой частоты.
Главная особенность новой работы связана с тем, что пространство между поверхностью Земли и ионосферой образует естественный электромагнитный резонатор. Низкочастотные электромагнитные волны отражаются от проводящей поверхности Земли и нижних слоёв ионосферы и могут многократно распространяться вокруг планеты. На определённых частотах возникают так называемые резонансы Шумана. Обычно их возбуждают, например, разряды молний.
Авторы работы показали, что подобные резонансы должны возникать и для электромагнитных волн, создаваемых аксионами. Особенно сильное усиление ожидается при массе аксиона около 3 × 10⁻¹⁴ электронвольта, что соответствует частоте порядка 7 герц. Более ранние упрощённые модели считали поверхность Земли и ионосферу идеальными проводниками и вблизи резонанса давали физически нереалистичное неограниченное увеличение сигнала. В новой модели исследователи учли реальную проводимость атмосферы и связанные с ней потери энергии, поэтому амплитуда резонансов остаётся конечной.
При этом сила предполагаемого аксионного сигнала должна заметно различаться в разных частях планеты. Расчёты показывают, что в районе магнитных полюсов он сравнительно слабый, а наиболее благоприятным регионом для поиска оказывается Юго-Восточная Азия. В качестве примера авторы рассмотрели Сингапур. Для малых масс аксиона рассчитанная там амплитуда почти на порядок выше, чем возле магнитных полюсов, а в области резонансов разница становится ещё заметнее.
Кроме того, модель предсказывает не только амплитуду, но и направление колебаний магнитного поля. Для некоторых диапазонов масс в районе экватора оно должно быть ориентировано преимущественно с востока на запад. Таким образом, возможный аксионный сигнал должен обладать сразу несколькими характерными признаками: чрезвычайно узкой частотой, определённой зависимостью от географического положения и предсказуемым направлением магнитного поля. Это может помочь отличить его от естественных электромагнитных явлений и помех, создаваемых человеком.
Авторы также проверили несколько моделей проводимости атмосферы, включая различия между дневными и ночными условиями. Несмотря на эти неопределённости, основные характеристики рассчитанного сигнала практически не менялись. Полученные в модели частоты и ширина обычных резонансов Шумана также согласуются с наблюдениями.
Таким образом исследователи получили теоретическое описание того, как должен выглядеть сигнал тёмной материи в магнитном поле Земли. При этом для поиска не обязательно строить новый специализированный детектор: подходящие данные уже собираются геофизическими магнитометрами. Авторы рассчитывают, что сочетание измерений из разных регионов планеты позволит искать один и тот же узкополосный сигнал и проверять, соответствует ли его амплитуда и направление предсказанной географической картине. Таким образом, сама Земля вместе с её магнитным полем и ионосферой потенциально может использоваться как детектор одной из возможных составляющих тёмной материи.