La materia oscura solo se manifiesta a través de la gravedad, pero su naturaleza es desconocida. Entre los candidatos se encuentran los campos bosónicos ultraligeros, que se comportan como ondas clásicas. El fotón oscuro es un bosón vectorial masivo que puede mezclarse débilmente con el fotón ordinario. Esta mezcla convierte a la Tierra en un detector: el campo del fotón oscuro induce una señal magnética que puede buscarse en los datos geomagnéticos. El trabajo se inscribe en la línea de búsqueda del fotón oscuro mediante observaciones terrestres y espaciales, pero por primera vez tiene en cuenta la conductividad atmosférica en frecuencias superiores a 1 Hz.
Se utilizaron datos del observatorio Eskdalemuir (Reino Unido) desde septiembre de 2012 hasta noviembre de 2022. Dos canales horizontales con una frecuencia de muestreo de 100 Hz se dividieron en segmentos de 8 horas (9909 segmentos en total). Para cada segmento se calculó la densidad espectral de potencia, y luego los segmentos se combinaron con pesos según el ruido. Se excluyeron las frecuencias armónicas de números enteros donde se observan líneas artificiales. La señal se buscó como una línea espectral estrecha con una relación señal/ruido por encima del umbral y estabilidad a lo largo de los años. La señal teórica se calculó a partir de las ecuaciones de Maxwell con un perfil radial de conductividad atmosférica.
Se encontraron 342 candidatos con una relación señal/ruido mayor que 2, pero ninguno coincidió con los candidatos de la búsqueda anterior de SuperMAG. La mayoría de los candidatos son probablemente instrumentales. Se obtuvieron límites superiores al parámetro de mezcla cinética ε: alrededor de 5×10⁻¹¹ para una masa del fotón oscuro de 3×10⁻¹⁴ eV (frecuencia ~7.7 Hz), lo que corresponde a la resonancia en la cavidad Tierra-ionosfera. En el rango de masas 10⁻¹⁵–2×10⁻¹³ eV, los límites superan todas las restricciones terrestres anteriores. Para masas inferiores a 10⁻¹⁵ eV, la sensibilidad está limitada por el ruido de los datos.
El trabajo amplía el rango de frecuencias para la búsqueda del fotón oscuro mediante datos geomagnéticos. La inclusión de la conductividad atmosférica elimina las divergencias espurias en la señal teórica y hace que la predicción sea fiable. Este es el primer límite directo al fotón oscuro en el rango 10⁻¹⁵–10⁻¹³ eV que es más fuerte que las restricciones cosmológicas. El método puede aplicarse a datos de otros observatorios y a frecuencias más altas.
El análisis puede extenderse a frecuencias superiores a 100 Hz, donde se predice una segunda resonancia alrededor de 2 kHz. El uso de una red global de magnetómetros (por ejemplo, SuperMAG) permitirá distinguir la señal del fotón oscuro de la axiónica mediante la estructura espacial del campo. La consideración de la estocasticidad de la materia oscura y las variaciones locales de la conductividad ionosférica refinarán los límites. Es posible buscar correlaciones entre observatorios para suprimir el ruido local.
Los resultados afectan a la física de partículas (restricciones al fotón oscuro), a la astrofísica (búsqueda de materia oscura) y a la geofísica (uso de datos geomagnéticos como detector).
Realizar un análisis conjunto de datos de varios observatorios para verificar los candidatos y mejorar la sensibilidad. Ampliar el análisis a frecuencias de hasta 2 kHz, donde se espera la segunda resonancia.
Para la física de partículas, sigue abierta la cuestión de la existencia de bosones ultraligeros y su interacción con el fotón. El trabajo cierra parte del espacio de parámetros, pero no resuelve el problema de la naturaleza de la materia oscura. Para la geofísica, es importante separar la señal de las variaciones naturales del campo magnético y de los efectos instrumentales.
Esta sección está dirigida al autor del trabajo y a sus colegas. Los trabajos vecinos los encontró la búsqueda por significado en nuestro archivo, no por coincidencia de palabras. No evaluamos: mostramos el campo alrededor.
Qué hace el trabajo
En este trabajo se buscó un fotón oscuro en los datos del observatorio geomagnético de Eskdalemuir durante 10 años. Se calculó la señal teórica teniendo en cuenta la conductividad atmosférica, se identificaron líneas espectrales estrechas y se verificó su estabilidad a lo largo de los años. Se obtuvieron límites superiores para el parámetro de mezcla ε en el rango de masas 10⁻¹⁵–2×10⁻¹³ eV, que superan las restricciones terrestres previas.
Dónde está su fuerza
Tener en cuenta la conductividad atmosférica elimina las divergencias y hace que la predicción de la señal sea fiable, lo que permitió obtener por primera vez límites fuertes en este rango de masas.
Hacia dónde puede avanzar
Vale la pena probar
Por qué puede importar
El método podría convertirse en una herramienta estándar para buscar materia oscura ultraligera, y la combinación de datos de diferentes observatorios permitiría cubrir nuevos rangos de masas.
Trabajos cercanos en nuestro archivo
El archivo está vacío alrededor de este trabajo: el análisis más cercano queda en 0.58, frente a un 0.64 habitual. Parece que aquí al lado casi nadie ha perforado.
La frecuencia de 8 Hz, en la que la señal es máxima, coincide con la frecuencia de la primera resonancia de Schumann, una resonancia electromagnética global excitada por los rayos.
En la novela de Liu Cixin 'El problema de los tres cuerpos', los extraterrestres utilizan protones desplegados en estructuras multidimensionales para influir en la física en la Tierra. Aquí, la propia Tierra se convierte en un instrumento para buscar materia invisible.