Dunkle Materie, von der man annimmt, dass sie den größten Teil der Masse des Universums ausmacht, bleibt äußerst schwer fassbar. Physiker haben nach verschiedenen Teilchen gesucht, die vielversprechende Kandidaten für dunkle Materie sein könnten, wie zum Beispiel dunkle Photonen und Axionen, und sich dabei auf Signaturen konzentriert, die mit ihrer Anwesenheit oder Wechselwirkungen mit anderen Teilchen unter bestimmten Bedingungen verbunden sind.
Forscher der Universität Genf, des CERN und der Universität Sapienza in Rom untersuchten kürzlich die Möglichkeit der Suche nach Teilchen der Dunklen Materie, indem sie sich auf deren vorhergesagte Umwandlung in niederfrequente Radiowellen in der Ionosphäre der Erde konzentrierten. Ihr Papier, veröffentlicht In Briefe zur körperlichen Untersuchungkönnte neue Möglichkeiten für zukünftige Suchen nach dunkler Materie eröffnen, indem es einen Parameterraum hervorhebt, der bisher unerforscht ist.
„Viele Forscher haben die resonante Umwandlung von Kandidaten für ultraleichte Dunkle Materie (ULDM) wie Axionen oder dunkle Photonen in Standardmodellphotonen in astrophysikalischen Umgebungen in Betracht gezogen“, sagte Carl Beadle, Erstautor der Arbeit, gegenüber Phys.org.
„Dies wurde zum Beispiel in Neutronensternen, der Sonnenkorona und sogar auf Planeten in unserem Sonnensystem wie Jupiter erforscht. Wir fragten, ob uns ein solches Signal von unserem lokalen, natürlich vorkommenden Plasma, der Ionosphäre, bereitgestellt werden könnte. Angesichts dessen.“ Es wird äußerst gut überwacht und verstanden, es schien uns ein sehr guter Ort zum Nachschauen zu sein.“
In theoretisch motivierten Modellen kann ein großer Teil oder die gesamte Dunkle Materie aus Axionen oder dunklen Photonen bestehen. Die von Beadle und seinen Kollegen vorgeschlagene Idee besteht darin, dass sich diese Teilchen in der Ionosphäre in reguläre Photonen umwandeln können, was sie mit erschwinglichen Antennen auf der Erde nachweisbar machen würde.
„Zur Resonanzumwandlung kommt es, wenn die Masse der Dunkle-Materie-Teilchen wertmäßig mit einer das Plasma charakterisierenden Frequenz übereinstimmt“, erklärte Beadle. „Man kann sich diese ‚Plasmafrequenz‘ als die Zahlendichte der freien Elektronen im Plasma vorstellen, und da sich diese Dichte mit der Höhe im ionosphärischen Plasma ändert, kann dieser Zufall auftreten, wenn die Masse der Dunklen Materie zufällig irgendwo hinfällt.“ im richtigen Bereich.
Die Forscher berechneten die Umwandlungsrate für das von ihnen vorhergesagte Signal und berücksichtigten dabei verschiedene Effekte, die es schwächen könnten. Anschließend verglichen sie Photonen, die dieses Signal zeigen, mit Rauschen (d. h. nicht verwandte Photonen), die eine potenzielle Antenne erreichen könnten, um das Potenzial ihres Ansatzes zur Erkennung von Axionen dunkler Materie oder dunklen Photonen in einem realen Experiment abzuschätzen.
Ihre Ergebnisse legen nahe, dass eine elektrisch kleine Dipolantenne ihr vorhergesagtes Signal erkennen könnte. Diese Hypothese könnte in zukünftigen Experimenten überprüft werden.
„Es sollte betont werden, dass wir glauben, dass dieses Experiment relativ kostengünstig in der Herstellung und Durchführung wäre und es ermöglicht, einen großen Teil des theoretischen Raums experimentell zu untersuchen“, sagte Beadle. „Mit diesem Vorschlag sind auch weniger astrophysikalische Unsicherheiten verbunden, da die Ionosphäre so gut bekannt ist und sich aufgrund ihrer Lage befindet.“
Die aktuelle Studie dieses Forscherteams eröffnet einen neuen Weg zur Erforschung unbekannter Regionen des Parameterraums der Dunklen Materie. Beadle und seine Kollegen haben bereits begonnen, mit anderen Experimentalphysikern zusammenzuarbeiten, um auf der Grundlage ihrer Vorhersagen zukünftige Suchen nach dunkler Materie zu planen.
„Wir standen mit verschiedenen experimentellen Gruppen in Kontakt und es gibt bereits vorhandene Daten, die wir durchsuchen müssen, um nach unserem Signal zu suchen“, fügte Beadle hinzu. „Es gibt andere Forscher, die an der Ausarbeitung unseres Vorschlags interessiert sind. Wir freuen uns jetzt sehr darauf, mit Experimentatoren zusammenzuarbeiten, um Tests durchzuführen und gleichzeitig an der Verbesserung der Berechnungen für das Signal zu arbeiten.“
Weitere Informationen:
Carl Beadle et al., Resonante Umwandlung wellenförmiger Dunkler Materie in der Ionosphäre, Briefe zur körperlichen Untersuchung (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.251001.
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