Naučnici pretvorili Zemlju u detektor tamne materije i uočili čudne signale

Fizičari su izveli globalno istraživanje u kojem je sama planeta Zemlja poslužila kao ogromni detektor u potrazi za tamnom materijom. Tokom ovog eksperimenta zabilježeno je više desetina potencijalnih signala koji se poklapaju s predviđanjima za određene vrste pretpostavljenih čestica koje bi mogle sačinjavati tamnu materiju. Iako ovi signali tek zahtijevaju dodatnu provjeru i mogu proisteći iz drugih izvora, eksperiment nudi nove tragove u rješavanju jedne od najvećih kosmoloških zagonetki.

Postoje brojni dokazi da u svemiru postoji mnogo više od onoga što je vidljivo. Postojeći modeli raspodjele i kretanja vidljive materije ne odgovaraju u potpunosti posmatranom stanju u stvarnosti. Zbog toga fizičari pretpostavljaju postojanje nevidljive materije koja svojom masom utiče na gravitacijske efekte. Budući da ova materija ne emituje niti odbija svjetlost, dobila je naziv tamna materija.

Jedan od vodećih kandidata za tamnu materiju jeste čestica poznata kao aksion. Predložena još tokom 1970-ih godina radi rješavanja problema u fizici čestica, ova hipotetska čestica bi u određenom opsegu mase mogla popuniti prazninu u modelima tamne materije. Za razliku od drugih kandidata, za aksione se predviđa da stupaju u interakciju s elektromagnetnom silom. Prema teorijskim modelima, aksioni bi u jakim magnetnim poljima povremeno trebali prelaziti u fotone, zbog čega su astronomi dosad tr tragali za njihovim potpisima u blizini neutronskih zvijezda ili supernovih, prenosi ScienceAlert.

Novi pristup, koji je proizašao iz serije radova fizičara iz Japana, usmjerio je pažnju na istraživanje bliže samoj Zemlji. Teorijski fizičar Atsushi Taruya, koautor radova, objasnio je da šupljina između Zemlje i jonosfere djeluje kao prirodni rezonator koji pojačava elektromagnetne valove u opsegu mase koji se istražuje.

Naučnici su analizirali podatke o magnetnom polju Zemlje koje je Britanski geološki zavod prikupljao u periodu od 2012. do 2022. godine. Pretpostavka tima bila je da bi aksioni, ukoliko prolaze kroz planetu, trebali rezonirati između površine Zemlje i jonosfere, stvarajući elektromagnetne valove na frekvenciji koja odgovara masi tih čestica. Pregledom podataka iz navedenog desetogodišnjeg perioda u tom uskom opsegu mase, tim je nakon uklanjanja pozadinskog šuma identifikovao 65 potencijalnih signala aksiona. Primjenom strožijih statističkih filtera, broj kandidata smanjen je na 25.

Pored aksiona, primijenjena metoda može detektovati i drugog kandidata za tamnu materiju – tamni foton. Ova pretpostavljena čestica smatra se prenosiocem sile izvan Standardnog modela. Za razliku od običnih fotona, tamni fotoni bi mogli imati masu i stupati u interakciju s magnetnim poljima na sličan način kao aksioni. U nastavku istraživanja naučnici su upotrijebili sličnu metodologiju kako bi u istim podacima potražili signale tamnih fotona. Rezultati su pokazali 342 potencijalna signala prema najblažim kriterijima, dok je primjenom strožeg odnosa signala i šuma taj broj sveden na 31 kandidata.

Trenutno dostupni podaci ne omogućavaju jasno razlikovanje signala tamnih fotona od signala aksiona. Osnovna razlika leži u tome što je za nastanak signala aksiona neophodno magnetno polje Zemlje, dok bi tamni fotoni stvarali signale bez obzira na njegovo prisustvo. To pruža mogućnost za testiranje koja od ovih čestica prolazi kroz planetu. Ukoliko bi signal bio identičan na bilo kojem mjestu na Zemlji, to bi ukazivalo na tamne fotone. S druge strane, ako jačina signala varira ovisno o lokaciji, vjerovatnije je da se radi o aksionima, s obzirom na to da jačina Zemljinog magnetnog polja nije ujednačena. Prema navodima istraživača, signal aksiona bi trebao slabiti u blizini polova, a biti najjači na području Jugoistočne Azije.

S obzirom na to da su analizirani podaci prikupljeni iz samo jedne opservatorije u Ujedinjenom Kraljevstvu, globalna perspektiva u ovom trenutku nije bila ostvariva. Dalja istraživanja i budući eksperimenti trebali bi pružiti dodatne informacije o ovom fenomenu.

Tri rada posvećena istraživanju aksiona objavljena su u časopisu Progress of Theoretical and Experimental Physics, dok je studija o tamnim fotonima objavljena u časopisu Physical Review D.