La matière noire ne se manifeste que par la gravité, mais sa nature est inconnue. Parmi les candidats figurent les champs bosoniques ultralégers, qui se comportent comme des ondes classiques. Le photon sombre est un boson vectoriel massif qui peut se mélanger faiblement avec le photon ordinaire. Ce mélange transforme la Terre en détecteur : le champ du photon sombre induit un signal magnétique que l'on peut rechercher dans les données géomagnétiques. Ce travail s'inscrit dans la lignée des recherches de photon sombre à l'aide d'observations terrestres et spatiales, mais il prend pour la première fois en compte la conductivité de l'atmosphère aux fréquences supérieures à 1 Hz.
Les données de l'observatoire d'Eskdalemuir (Royaume-Uni) de septembre 2012 à novembre 2022 ont été utilisées. Deux canaux horizontaux avec une fréquence d'échantillonnage de 100 Hz ont été divisés en segments de 8 heures (9909 segments au total). Pour chaque segment, la densité spectrale de puissance a été calculée, puis les segments ont été combinés avec des pondérations basées sur le bruit. Les fréquences multiples d'entiers, où des lignes artificielles apparaissent, ont été exclues. Le signal a été recherché comme une ligne spectrale étroite avec un rapport signal sur bruit supérieur au seuil et une stabilité au fil des ans. Le signal théorique a été calculé à partir des équations de Maxwell avec un profil radial de conductivité atmosphérique.
342 candidats avec un rapport signal sur bruit supérieur à 2 ont été trouvés, mais aucun ne coïncide avec les candidats de la recherche précédente SuperMAG. La plupart des candidats sont probablement d'origine instrumentale. Des limites supérieures sur le paramètre de mélange cinétique ε ont été obtenues : environ 5×10⁻¹¹ pour une masse de photon sombre de 3×10⁻¹⁴ eV (fréquence ~7.7 Hz), ce qui correspond à la résonance dans la cavité Terre-ionosphère. Dans la gamme de masses 10⁻¹⁵–2×10⁻¹³ eV, les limites surpassent toutes les contraintes terrestres précédentes. Pour une masse inférieure à 10⁻¹⁵ eV, la sensibilité est limitée par le bruit des données.
Ce travail élargit la gamme de fréquences pour la recherche de photons sombres à l'aide de données géomagnétiques. La prise en compte de la conductivité atmosphérique élimine les fausses divergences dans le signal théorique et rend la prédiction fiable. C'est la première limite directe sur le photon sombre dans la gamme 10⁻¹⁵–10⁻¹³ eV, plus forte que les contraintes cosmologiques. La méthode peut être appliquée aux données d'autres observatoires et à des fréquences plus élevées.
L'analyse peut être étendue aux fréquences supérieures à 100 Hz, où une deuxième résonance est prédite autour de 2 kHz. L'utilisation d'un réseau global de magnétomètres (par exemple SuperMAG) permettra de distinguer le signal du photon sombre de celui de l'axion par la structure spatiale du champ. La prise en compte du caractère stochastique de la matière noire et des variations locales de la conductivité ionosphérique affinera les limites. Une recherche de corrélations entre observatoires est possible pour supprimer les perturbations locales.
Les résultats ont un impact sur la physique des particules (contraintes sur le photon sombre), l'astrophysique (recherche de matière noire) et la géophysique (utilisation des données géomagnétiques comme détecteur).
Effectuer une analyse conjointe des données de plusieurs observatoires pour vérifier les candidats et améliorer la sensibilité. Étendre l'analyse aux fréquences jusqu'à 2 kHz, où une deuxième résonance est attendue.
Pour la physique des particules, la question de l'existence des bosons ultralégers et de leur interaction avec le photon reste ouverte. Ce travail ferme une partie de l'espace des paramètres, mais ne résout pas le problème de la nature de la matière noire. Pour la géophysique, il est important de séparer le signal des variations naturelles du champ magnétique et des effets instrumentaux.
Cette section s'adresse à l'auteur du travail et à ses collègues. Les travaux voisins ont été trouvés par une recherche sémantique dans notre archive, et non par correspondance de mots. Nous n'évaluons pas : nous montrons le champ autour.
Ce que fait ce travail
L'étude a recherché un photon sombre dans les données de l'observatoire géomagnétique d'Eskdalemuir sur 10 ans. Le signal théorique a été calculé en tenant compte de la conductivité atmosphérique, des raies spectrales étroites ont été identifiées et leur stabilité au fil des ans a été vérifiée. Des limites supérieures ont été obtenues sur le paramètre de mélange ε dans la gamme de masses 10⁻¹⁵–2×10⁻¹³ eV, dépassant les contraintes au sol précédentes.
Où est sa force
La prise en compte de la conductivité atmosphérique élimine les divergences et rend la prédiction du signal fiable, ce qui a permis d'obtenir pour la première fois des contraintes fortes dans cette gamme de masses.
Vers où avancer
À essayer
Pourquoi cela peut compter
Cette méthode pourrait devenir un outil standard pour la recherche de matière noire ultra-légère, et la combinaison des données de différents observatoires permettrait de couvrir de nouvelles gammes de masses.
Travaux voisins dans notre archive
L'archive est vide autour de ce travail : l'analyse la plus proche n'est qu'à 0.58, contre 0,64 d'ordinaire. Il semble qu'on ait peu foré à côté.
La fréquence de 8 Hz, à laquelle le signal est maximal, coïncide avec la fréquence de la première résonance de Schumann, une résonance électromagnétique globale excitée par les éclairs.
Dans le roman de Liu Cixin, « Le Problème à trois corps », les extraterrestres utilisent des protons dépliés en structures multidimensionnelles pour influencer la physique sur Terre. Ici, c'est la Terre elle-même qui devient un instrument pour rechercher la matière invisible.