암흑물질은 현대 물리학에서 풀리지 않은 가장 큰 미스터리 중 하나입니다. 천문학자들은 그것이 존재한다고 믿으며 그것이 우주 전체 에너지의 약 4분의 1을 차지한다고 추정하지만, 과학자들은 여전히 그것이 무엇으로 구성되어 있는지 모릅니다.
두 가지 주요 가능성은 그들이 알고 있는 가상의 입자입니다. 초경량 행위 그리고 어두운 광자. 연구진이 조사한 질량 범위에서 이 입자는 매우 가벼워 전자보다 약 19~21도 정도 가볍습니다.
지구를 거대한 암흑물질 탐지기로 전환
많은 전통적인 액시온 실험에서는 실험실 내부에서 극도로 강한 자기장에 광자를 노출시켜 광자를 광자로 변환하려고 시도합니다. 문제는 규모다. 강력한 실험실 자석이라도 상대적으로 작은 영역만 덮을 수 있습니다.
교토대, 히로시마대, 일본대 연구진은 이러한 한계를 극복할 수 있는 방법을 찾았다. 그들은 실험실 장비에만 의존하는 대신 지구 자체의 자기 환경을 실험의 일부로 사용할 수 있는지 물었습니다.
수석 저자인 Atsushi Taruya는 “우리는 지구 자체를 검색의 거대한 탐지기로 사용할 수 있는지 스스로에게 물었습니다.”라고 말했습니다. “지구의 전리층은 우리가 조사하고자 하는 질량 범위 주변의 전자기파를 증폭시키는 자연 공진기 역할을 합니다.”
지구 표면과 전리층 사이의 영역은 큰 진공처럼 자연적으로 전자기파에 맞춰질 수 있습니다. 이는 팀이 조사하고자 하는 초경량 입자와 관련된 신호를 찾는 데 특히 유용했습니다.
더 높은 빈도로 검색 확장
한 가지 장애물은 이전 이론이 1Hz 미만의 주파수만 안정적으로 설명할 수 있다는 것이었습니다. 이는 대체로 탐색되지 않은 잠재적으로 유용한 주파수 범위입니다.
이 문제를 해결하기 위해 연구자들은 대기의 전기 전도도를 포함하는 새로운 이론적 기반을 개발했습니다. 그들의 계산에 따르면 지구 전리층의 공극은 8Hz 근처의 신호를 증폭할 수 있어 약 30Hz까지 신뢰할 수 있는 예측을 할 수 있다는 것을 보여주었습니다.
이 모델은 또한 두 암흑 물질 후보 사이의 중요한 차이를 예측했습니다. Axions에 의해 생성된 신호는 위치에 따라 다르며 동남아시아에서 가장 강력할 것으로 예상됩니다. 이와 대조적으로 어두운 광자 신호는 전 세계에서 거의 동일한 강도로 나타나야 합니다.
10년간의 자기 데이터 테스트
이 프레임워크를 사용하여 팀은 영국 지질 조사국(British Geological Survey)의 Eskdalemuir Observatory에서 2012년부터 2022년까지 수집한 거의 10년간의 지자기 측정 데이터를 조사했습니다.
연구진은 먼저 데이터에서 인공적인 소음원을 제거했습니다. 그런 다음 그들은 암흑 물질이 장기간에 걸쳐 존재할 것으로 예상되는 매우 좁은 주파수 범위에 집중된 안정적인 신호를 발견했습니다. 그런 다음 결과를 통계 분석했습니다.
어두운 광자에도 동일한 이론적 접근 방식이 적용되었습니다. 액시온과 달리 암흑 광자는 자기장이 없어도 전자기파를 생성할 수 있으므로 연구자들은 이러한 입자가 생성해야 하는 다양한 신호에 대해 데이터 세트를 검색했습니다.
강력한 제약과 미스터리 신호 후보
특정 범위의 축삭 질량에 대한 탐지기로 지구 전체를 효과적으로 사용함으로써 연구자들은 축삭이 빛과 상호 작용할 수 있는 방법에 대한 새로운 한계를 설정했습니다.
이러한 한계는 지상 실험의 이전 최고 결과보다 약 100배 더 엄격했습니다. 비록 이러한 천체물리학적 한계는 이론적 가정에 의존하지만, 그들은 또한 찬드라(Chandra)와 NuSTAR와 같은 천문대에 의한 천체물리학적 X-선 관측으로부터 얻은 한계와도 경쟁적이었습니다.
어두운 광자에 대한 검색은 특히 흥미로운 결과를 가져왔습니다. 연구자들은 암흑 물질에서 유래했을 수 있는 신호에 대한 여러 후보를 식별했습니다. 그러나 이러한 신호의 출처는 아직 알려지지 않았으며 암흑물질의 증거로 확인되지도 않았습니다.
따라서 암흑물질의 정체는 아직 밝혀지지 않은 상태이다. 그러나 새로운 이론적 틀은 연구자들이 미래의 검색을 확장하고 지구의 자연 전자기 환경을 가장 가벼운 형태의 암흑 물질을 조사하는 도구로 사용할 수 있는 강력한 방법을 제공할 수 있습니다.
