ماده تاریک یکی از بزرگترین معماهای حلنشده فیزیک مدرن است. ستارهشناسان اطمینان بالایی دارند که این ماده وجود دارد و تخمین میزنند که حدود یک چهارم کل محتوای انرژی جهان را تشکیل میدهد، اما دانشمندان هنوز نمیدانند جنس آن چیست.
دو احتمال پیشرو شامل ذرات فرضی شناخته شده به نام آکسیونهای فوق سبک و فوتونهای تاریک هستند. در محدوده جرمی که توسط پژوهشگران مورد بررسی قرار گرفت، این ذرات به طور غیرعادی سبک بودند؛ تقریباً ۱۹ تا ۲۱ مرتبه بزرگی سبکتر از یک الکترون.
تبدیل زمین به یک آشکارساز غولپیکر ماده تاریک
بسیاری از آزمایشهای سنتی آکسیون سعی میکنند آکسیونها را با قرار دادن آنها در معرض میدانهای مغناطیسی بسیار قوی داخل آزمایشگاهها به فوتون تبدیل کنند. چالش اصلی مقیاس است. حتی آهنرباهای قدرتمند آزمایشگاهی تنها میتوانند منطقه نسبتاً کوچکی را پوشش دهند.
پژوهشگران دانشگاههای کیوتو، هیروشیما و نیهون راهی برای دور زدن این محدودیت یافتند. آنها به جای تکیه صرف بر تجهیزات آزمایشگاهی، پرسیدند که آیا میتوان از محیط مغناطیسی خودِ زمین به عنوان بخشی از آزمایش استفاده کرد یا خیر.
«خودمان را پرسیدیم که آیا میتوانیم در جستجو از خودِ زمین به عنوان یک آشکارساز غولپیکر استفاده کنیم»، میگوید اتسوشی تارویا، نویسنده مسئول مقاله. «حفره زمین-یونوسفر مانند یک تشدیدکننده طبیعی عمل میکند که امواج الکترومغناطیسی را دقیقاً در محدوده جرمی که میخواستیم کاوش کنیم، تقویت میکند.»
منطقه بین سطح زمین و یونوسفر میتواند به طور طبیعی با امواج الکترومغناطیسی، شبیه به یک حفره بزرگ، تشدید کند. این ویژگی آن را برای جستجوی سیگنالهای مرتبط با ذرات فوق سبکی که تیم میخواست تحقیق کند، بسیار مفید ساخت.
گسترش جستجو به فرکانسهای بالاتر
یکی از موانع این بود که نظریههای قبلی تنها میتوانستند فرکانسهای زیر ۱ هرتز را به طور قابل اعتماد توصیف کنند. این امر بخش زیادی از محدوده فرکانسی بالقوه مفید را بدون کاوش باقی گذاشت.
برای حل این مشکل، پژوهشگران چارچوب نظری جدیدی توسعه دادند که رسانایی الکتریکی جو را نیز شامل میشود. محاسبات آنها نشان داد که حفره زمین-یونوسفر میتواند سیگنالهای نزدیک به ۸ هرتز را تقویت کند و به آنها اجازه داد تا پیشبینیهای قابل اعتمادی تا حدود ۳۰ هرتز ارائه دهند.
این مدل همچنین تفاوت مهمی بین دو نامزد ماده تاریک پیشبینی کرد. سیگنالهای تولید شده توسط آکسیونها باید بسته به مکان تغییر کنند، به طوری که قویترین سیگنالها انتظار میرفت در جنوب شرق آسیا مشاهده شوند. در مقابل، سیگنالهای فوتون تاریک باید تقریباً با همان قدرت در سراسر جهان ظاهر شوند.
آزمون یک دهه داده مغناطیسی
با استفاده از این چارچوب، تیم حدود ۱۰ سال اندازهگیریهای ژئومغناطیسی جمعآوری شده بین سالهای ۲۰۱۲ تا ۲۰۲۲ توسط رصدخانه اسکدیلمویر سرویس زمینشناسی بریتانیا را بررسی کرد.
پژوهشگران ابتدا منابع مصنوعی نویز را از دادهها حذف کردند. سپس به دنبال نوعی سیگنال پایدار متمرکز در یک محدوده فرکانسی بسیار باریک گشتند که انتظار میرود ماده تاریک در طولانی مدت تولید کند. نتایج سپس تحت تحلیل آماری قرار گرفتند.
همین رویکرد نظری همچنین برای فوتونهای تاریک اعمال شد. برخلاف آکسیونها، فوتونهای تاریک میتوانند حتی در غیاب میدان مغناطیسی امواج الکترومغناطیسی تولید کنند، بنابراین پژوهشگران مجموعه داده را برای امضای متفاوتی که انتظار میرفت این ذرات ایجاد کنند، جستجو کردند.
محدودیتهای قویتر و نامزدهای سیگنال مرموز
با استفاده مؤثر از کل زمین به عنوان یک آشکارساز برای محدوده خاصی از جرمهای آکسیون، پژوهشگران محدودیتهای جدیدی بر میزان شدت تعامل آکسیونها با نور وضع کردند.
این محدودیتها حدود ۱۰۰ برابر سختگیرانهتر از بهترین نتیجه قبلی از یک آزمایش زمینی بودند. آنها همچنین رقابتی با محدودیتهای استنتاج شده از مشاهدات پرتو ایکس اخترفیزیکی انجام شده توسط رصدخانههایی مانند چاندرا و NuSTAR بودند، هرچند آن محدودیتهای اخترفیزیکی به برخی فرضیات نظری وابسته هستند.
جستجوی فوتون تاریک نتیجهای به ویژه جالب توجه تولید کرد. پژوهشگران چندین نامزد سیگنال را شناسایی کردند که میتوانستند منشأ ماده تاریک داشته باشند. با این حال، منبع آن سیگنالها ناشناخته باقی مانده و به عنوان شواهدی از ماده تاریک تأیید نشدهاند.
بنابراین هویت واقعی ماده تاریک همچنان حلنشده باقی است. با این حال، چارچوب نظری جدید میتواند به پژوهشگران راهی قدرتمند برای گسترش جستجوهای آینده و استفاده از محیط الکترومغناطیسی طبیعی زمین به عنوان ابزاری برای کاوش برخی از سبکترین اشکال ممکن ماده تاریک بدهد.