Сигналы тёмной материи можно поискать в земной ионосфере

Физики рассмотрели возможность поиска гипотетических частиц тёмной материи прямо в земной ионосфере. Непосредственно эти частицы мы наблюдать не можем, но можно зафиксировать их взаимодействие с обычным веществом. В частности, если верны некоторые популярные модели строения тёмной материи, результаты их взаимодействия с ионосферной плазмой можно обнаружить при помощи существующих приборов.

Многие исследователи рассматривают возможность обнаружения сверхлёгких частиц тёмной материи (аксионов, или «тёмных» фотонов) при их преобразовании в «обычные» фотоны в каких-либо астрофизических системах. Например, такие процессы можно поискать в нейтронных звёздах, солнечной короне или даже в атмосфере крупных планет вроде Юпитера (про исследование этого последнего варианта см. отдельную недавнюю статью). Можно пойти ещё дальше и предложить некую среду, которую исследовать ещё легче по причине нахождения у нас под боком.

В большом количестве моделей того, что же такое эта тёмная материя, предполагается, что значительная её доля (а может, и вся она) состоит из аксионов или тёмных фотонов. Идея в том, что преобразование таких частиц в нормальные фотоны может происходить и в земной ионосфере при стечении определённых обстоятельств. Пока мы не располагаем экспериментальными свидетельствами такого взаимодействия, но для начала можно оценить, насколько его реально обнаружить на существующем оборудовании и выделить среди помех.

Резонансное преобразование происходит, если масса (пока ещё гипотетических) частиц тёмной материи соответствует характерным частотам колебаний плазмы. В данном случае речь идёт об ионосферной плазме, состоящей из ионов и свободных электронов, которые в изобилии образуются в верхних слоях земной атмосферы из-за облучения Солнцем. Частота плазменных колебаний связана с концентрацией свободных электронов в ионосфере. Поскольку эта концентрация меняется с высотой, некоторая высота над уровнем моря может оказаться именно той, на которой можно искать резонансное взаимодействие с тёмной материей.

Исследователи рассчитали скорость преобразования для сигнала с учётом различных факторов, которые могут его ослабить. Также учли соотношение сигнал-шум, то есть относительный вклад от фотонов, не связанных с искомым преобразованием. Расчёты показывают, что нужный сигнал можно зафиксировать при помощи доступного электронного оборудования — электрически малой дипольной антенны. Гипотезу теперь предстоит проверять экспериментально. Остаётся найти исследовательские группы, которые могли бы целенаправленно взяться за такой поиск. Так же не исключено, что нужные данные уже имеются, но нужно выделить их из огромного количества доступных экспериментов по «прослушиванию» ионосферы.