Атмосфера Земли оказалась гигантской камерой Вильсона для темной материи
Фото: NASA / Unsplash
Ученые Университета штата Огайо выяснили, что наземные радиолокационные системы для отслеживания метеоров способны регистрировать гипотетические частицы макроскопической темной материи. Результаты, опубликованные в препринте в репозитории arXiv, показывают, что такие частицы оставляют заметный след из ионизированных частиц подобно микроскопическим метеоритам.
Хотя предполагается, что частицы темной материи очень редко взаимодействуют с обычной материей, возможно, что существуют частицы, которые легко вступают во взаимодействия, но избегают обнаружения, будучи очень массивными и, следовательно, малочисленными. Такая макроскопическая темная материя не достигает наземных детекторов из-за высокой вероятности упругого рассеяния в атмосфере Земли.
Предложенный метод обнаружения частиц темной материи основан на том, что атмосфера Земли является гигантским аналогом камеры Вильсона — простейшего детектора треков заряженных частиц, внутри которого ионы, вызывающие конденсацию пара, оставляют за собой следы из капелек воды. Атмосфера Земли может играть роль объемного детектора частиц, а используемые наземные радары выступают в качестве способа зондирования.
Наземные радары способны эффективно регистрировать вхождение в атмосферу метеороидов — небольших фрагментов комет или астероидов, — которые порождают облака ионов (ионизационные отложения) как за счет возбуждения атомов на поверхности самого космического объекта, так и за счет столкновения с атмосферными частицами. Такие ионизационные отложения являются проводящими и, следовательно, отражают радиоволны. Радиоволны от наземных радаров могут быть отражены как от поля ионов, непосредственно окружающего тело метеорода (головное эхо), так и от хвоста (хвостовое эхо).
Моделирование показало, что частицы макроскопической темной материи с большой массой и высоким эффективным сечением (то есть, высокой вероятностью взаимодействия с другой частицей) при входе в атмосферу Земли также продуцируют облако ионов за счет взаимодействия с атмосферными частицами. Исследователи вычислили площадь радиолокационного эха, или «радарное эффективное сечение» для темной материи, движущейся в верхних слоях атмосферы со скоростью 11-800 километров в секунду, а затем сравнили ожидаемое количество эхо-сигналов, спрогнозированное моделью, с фактическими наблюдениями.
Если предположить, что только часть зарегистрированных эхо-сигналов должна принадлежать темной материи, то это дает новые ограничения на свойства частиц макроскопической темной материи. Любые частицы-кандидаты с определенной массой и эффективным сечением, для которых модель показала превышение количества эхо-сигналов над наблюдаемыми данными, попадают в область исключения. Интересно, что большая часть исключенных частиц-кандидатов, а также ряд допустимых частиц-кандидатов, уже лежит в областях исключений, полученных космологическими и астрофизическими наблюдениями. Тем не менее пока еще остаются допустимые диапазоны массы и эффективного сечения, которые могут быть исследованы в будущем более чувствительными методами.