Il y a cent ans, les observatoires magnétiques n'enregistraient que les lentes respirations du noyau terrestre. Aujourd'hui, leurs données deviennent un terrain de chasse pour la physique des particules. À l'observatoire d'Eskdalemuir, dans le nord de l'Angleterre, les oscillations du champ magnétique sont enregistrées chaque centième de seconde. Dix ans de ces enregistrements, soit 9909 segments de huit heures, sont devenus un piège pour un fantôme : le photon sombre.
Le photon sombre est une particule hypothétique, semblable au photon mais avec une masse. Il peut interagir faiblement avec la lumière ordinaire par mélange cinétique. Si la matière noire est constituée de telles particules, leurs oscillations collectives se comportent comme une onde classique. Cette onde fait osciller le champ magnétique terrestre, transformant la planète en une antenne géante accordée sur le murmure de la matière noire.
L'astuce clé de ce travail est la prise en compte de la conductivité de l'atmosphère. Auparavant, les prédictions théoriques du signal étaient limitées aux fréquences inférieures à 1 Hz et souffraient de fausses infinis. Désormais, les équations de Maxwell sont résolues avec un profil de conductivité réaliste, ce qui a permis d'utiliser pour la première fois la résonance dans la cavité Terre-ionosphère. Le signal a été recherché comme une raie spectrale étroite avec un rapport signal sur bruit supérieur au seuil et une stabilité sur les années.
Résultat : 342 candidats, mais aucun ne correspond aux candidats de la recherche précédente SuperMAG. La plupart sont probablement des artefacts instrumentaux. En revanche, des limites supérieures sur le paramètre de mélange ε ont été obtenues : environ 5×10⁻¹¹ pour une masse de photon sombre de 3×10⁻¹⁴ eV (fréquence ~7.7 Hz). Dans la gamme de masses 10⁻¹⁵–2×10⁻¹³ eV, ces limites surpassent toutes les contraintes au sol précédentes. Pour une masse inférieure à 10⁻¹⁵ eV, la sensibilité est limitée par le bruit des données.
Cette méthode ouvre la voie à l'utilisation de tout le réseau d'observatoires géomagnétiques comme détecteur distribué de matière noire. L'analyse peut être étendue aux fréquences supérieures à 100 Hz, où une deuxième résonance est prédite vers 2 kHz. L'analyse conjointe des données de plusieurs observatoires permettra de distinguer le signal du photon sombre des perturbations locales et d'affiner les limites. Ainsi, la planète qui sert de foyer à la vie depuis des milliards d'années devient un instrument pour la recherche de la matière invisible.
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 déployés en structures multidimensionnelles pour influencer la physique sur Terre. Ici, c'est la Terre elle-même qui devient un instrument pour la recherche de la matière invisible.