فیزیک‌دانان میدان مغناطیسی زمین را به یک آشکارساز سیاره‌ای ماده تاریک تبدیل کردند

تبدیل یک ذره نظری و فوق‌سبک ماده تاریک به یک موج الکترومغناطیسی قابل اندازه‌گیری، نیازمند میدان مغناطیسی بسیار بزرگ‌تری از آن چیزی است که در هر آزمایشگاهی بتوان ساخت. این برهم‌کنش — جایی که یک ذره به میدان مغناطیسی برخورد کرده و یک فوتون آزاد می‌کند — همان گلوگاه اصلی در روند آشکارسازی است. از آنجا که آهنرباهای آزمایشگاهی مساحت بسیار کوچکی را برای ثبت این امواج با فرکانس پایین پوشش می‌دهند، فیزیک‌دانان برای حل این مشکل به سراغ خود سیاره زمین رفته‌اند.

هسته آهنی و مذاب زمین یک میدان مغناطیسی سراسری تولید می‌کند، در حالی که اتمسفر نارسانا که بین سطح زمین و یونوسفر ساندویچ شده، به عنوان یک کاواک تشدیدگر طبیعی عمل می‌کند. سازوکار این پدیده به این شکل است که اگر کاندیداهای فوق‌سبک ماده تاریک مانند اکسیون‌ها یا فوتون‌های تاریک در این فضا شناور شوند، باید نوسان کرده و یک زمزمه الکترومغناطیسی ضعیف و پیوسته تولید کنند.[3]

آتسوشی تارویا (Atsushi Taruya)، فیزیک‌دان دانشگاه کیوتو، می‌گوید: «ما از خود پرسیدیم که آیا می‌توانیم از خود زمین به عنوان یک آشکارساز غول‌پیکر در این جستجو استفاده کنیم. کاواک زمین-یونوسفر به عنوان یک تشدیدگر طبیعی عمل می‌کند که امواج الکترومغناطیسی را دقیقاً در همان محدوده جرمی که می‌خواستیم بررسی کنیم، تقویت می‌کند.»

برای آزمایش این سازوکار، پژوهشگرانی از دانشگاه کیوتو، دانشگاه هیروشیما و دانشگاه نیهون، یک دهه داده‌های ژئومغناطیسی ثبت‌شده در رصدخانه Eskdalemuir متعلق به سازمان زمین‌شناسی بریتانیا در اسکاتلند را تحلیل کردند. این مجموعه داده بازه زمانی سپتامبر ۲۰۱۲ تا نوامبر ۲۰۲۲ را در بر می‌گرفت.

این تیم رکورد ده‌ساله را به ۹۹۰۹ قطعه هشت‌ساعته برش داد. آن‌ها هر بخش را به دقت کاوش کردند تا یک جهش فرکانسی پایدار و بسیار تیز پیدا کنند. در حالی که نویزهای الکترومغناطیسی معمولی در طول زمان نوسان دارند، یک سیگنال واقعی از ماده تاریک سال‌ها دقیقاً در همان فرکانس ثابت می‌ماند، چرا که مستقیماً به جرم ذره وابسته است.

چارچوب نظری توسعه‌یافته توسط این تیم، رسانایی الکتریکی اتمسفر را در نظر می‌گیرد و نشان می‌دهد که کاواک زمین-یونوسفر سیگنال‌های نزدیک به ۸ هرتز را تقویت کرده و امکان پیش‌بینی‌های قابل‌اتکا تا ۳۰ هرتز را فراهم می‌کند. در این محدوده، ذرات هدف ۱۹ تا ۲۱ مرتبه بزرگی سبک‌تر از یک الکترون خواهند بود.[3]

این داده‌ها دو دسته یافته متمایز به همراه داشت. نخست، عدم وجود یک سیگنال غالب و غیرقابل‌انکار به تیم اجازه داد تا محدودیت‌هایی برای میزان قدرت جفت‌شدگی اکسیون‌ها با نور تعیین کنند که تقریباً ۱۰۰ برابر سخت‌گیرانه‌تر از آزمایش‌های زمینی پیشین است.[1]

دوم، این جستجو ۶۵ کاندیدای سیگنال پایدار را که از فیلترها عبور کرده و هنوز دلیلی برایشان یافت نشده، جداسازی کرد. تحلیل موازی برای فوتون‌های تاریک نیز چندین کاندیدای سیگنال تاییدنشده را آشکار کرد.[2]

شواهد مبنی بر اینکه این ۶۵ ناهنجاری نمایانگر ماده تاریک باشند، هنوز بسیار ضعیف است. این سیگنال‌ها همچنان می‌توانند نویزهای ناشناخته زمینی یا اتمسفری باشند. از آنجا که اکسیون‌ها برای تولید امواج الکترومغناطیسی به میدان مغناطیسی زمین نیاز دارند، یک سیگنال واقعی اکسیون باید بسته به مکان تغییر کند و در آسیای جنوب شرقی به اوج خود برسد. در مقابل، فوتون‌های تاریک که نیازی به میدان مغناطیسی خارجی ندارند، باید سیگنالی یکنواخت در سطح جهانی تولید کنند.

تایید ماهیت این سیگنال‌ها نیازمند تطبیق داده‌های Eskdalemuir با سایر رصدخانه‌های سراسر جهان است. اکنون چارچوب نظری لازم برای پردازش داده‌ها از یک شبکه جهانی مغناطیس‌سنج‌ها وجود دارد؛ شبکه‌ای که در نهایت مشخص خواهد کرد آیا این ۶۵ جهش فرکانسی صرفاً تداخلات محلی هستند یا اولین ردپای مستقیم از جرم گمشده کیهان.[1]