Sökande efter mörk materia med världens största detektor "Jorden".

 

Bild Wikipedia Jorden sett från Meteosat-12 år 2025  under vårdagjämningen.

Att mörk materia finns är nästan 100% bekräftat. Astronomer tror att den utgör ungefär en fjärdedel av universums totala energiinnehåll men ännu vet ingen vad det är. Två av de ledande teorierna om vad  mörk materia är är att det är hypotetiska ultraljusa axioner (en hypotetisk elementarpartikel med spinn noll, det vill säga den är en boson).

Alternativt mörka fotoner cirka 19 till 21 i  storleksordning ljusare än elektronen.

Konventionella axionsökningar tenderar att involvera att omvandla dem till fotoner med hjälp av starka laboratoriemagneter. Laboratorieforskning  begränsar dock utrymmet av vilket ett sådant fält kan tillämpas på. Ett samarbetsteam av forskare från Kyoto University, Hiroshima University och Nihon University förespråkar att Jordens eget magnetfält spänner över en skala som inget laboratorium kan matcha och därmed skulle kunna användas.

"Vi frågade oss själva om vi kunde använda jorden själv som en jättedetektor i sökandet," beskriver korresponderande författare Atsushi Taruya. "Jordens jonosfärs hålighet fungerar som en naturlig resonator som förstärker elektromagnetiska vågor precis runt det område vi vill undersöka." 

Dock kunde den befintliga teorin endast hantera frekvenser under 1 Hz, vilket lämnade resten av detta område oförutsägbart. Detta inspirerade teamet att konstruera en ny teoretisk ram som tar hänsyn till atmosfärens elektriska ledningsförmåga, både genom att visa att jordens jonosfärs hålighet förstärker signaler nära 8 Hz och därmed utvidga tillförlitliga prognoser upp till cirka 30 Hz. De förväntade sig att axion-ursprungssignalerna skulle variera beroende på plats, högst i Sydostasien, medan mörka fotonsignaler borde se nästan likadana ut överallt.

Med utgångspunkt av sitt nya ramverk analyserade teamet cirka ett decenniums geomagnetfältdata, från 2012 till 2022 från British Geological Surveys Eskdalemuir Observatory. 

De tog bort artificiellt brus, sökte sedan efter den stadiga, smalfrekventa signal som mörk materia förväntas ge över långa tidsskalor och följde upp detta med statistisk analys. Teamet utvidgade sedan samma teoretiska ramverk till mörka fotoner vilka till skillnad mot axioner genererar elektromagnetiska vågor även utan magnetfält och sökte i samma datamängd efter deras distinkta signatur.

Genom att behandla hela jorden som en jättedetektor i ett specifikt intervall av axionmassor satte teamet gränserna för hur starkt axioner kopplas till ljus vilket blev ungefär 100 gånger snävare än det tidigare bästa från ett markbaserat experiment. Dessa resultat kan till och med mäta sig med begränsningar i astrofysiska röntgenobservationer som Chandra och NuSTAR  som i sig bygger på vissa teoretiska antaganden. På ett mystiskt sätt visade mörk materia fotonanalysen också flera signalkandidater som potentiellt kan härstamma från mörk materia, även om deras sanna natur ännu inte har bekräftats.

För tillfället är identiteten på mörk materia fortfarande ett mysterium. Men det teoretiska ramverk som utvecklats i denna studie förväntas ligga till grund för en ny fas av mörk materia-sökningar.

Sökandet efter mörk materia har pågått med många skilda metoder  under många år nu. Men inte har den påvisats utan enbart tecken och effekter har hittats av något som vi kallar mörk materia. Kommer vi finna den någonsin ingen vet. Ovan är ytterligare en metod att försöka finna den.