Атмосфера Земли оказалась гигантской камерой Вильсона для темной материи
Ученые Университета штата Огайо выяснили, что наземные радиолокационные системы для отслеживания метеоров способны регистрировать гипотетические частицы макроскопической темной материи. Такие частицы оставляют заметный след из ионизированных частиц подобно микроскопическим метеоритам.В Университете штата Огайо использовали радары для отслеживания треков 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.
