地球本身可作为行星尺度暗物质探测器

据SciTechDaily网站近日报道，一个国际研究团队提出，地球本身的磁场与大气层可构成一种行星尺度的超轻暗物质探测器，并通过分析英国地质调查局长达十年的地磁数据，对轴子信号给出了比此前地面实验严格约100倍的限制。

研究团队由日本京都大学领衔，他们关注的候选粒子是轴子和暗光子。这类粒子质量极轻，比电子小19—21个数量级，若作为银河系暗物质晕的一部分穿过地球，会与地磁场耦合，转化为一个单色电磁波信号，其频率由粒子质量决定。

地球表面与电离层之间形成了一种上下皆为良导体的空腔。团队在理论上重新计算了轴子诱导电磁波在该空腔中的约束与共振，发现当轴子质量大于约10-14电子伏特时，信号会呈现出与舒曼共振对齐的共振结构，在质量约为3×10-14电子伏特处磁场振幅尤其增强。

同时，信号强度和方向随地理位置变化，东南亚地区的灵敏度最高。这一理论框架避免了理想化模型中的发散问题，且对电导率模型和边界条件的不确定性不敏感，为区分轴子信号与自然或人造电磁背景提供了可靠模板。

为检验理论，团队调取了英国地质调查局2012—2022年的地磁数据。他们先排除已知人类活动造成的电磁干扰，再借助统计方法搜寻长期存在、集中在特定频率的窄频谱信号。分析结果表明，在所选质量范围内未发现明确的轴子信号，但通过排除法，团队给出了轴子与光子相互作用强度的新限制，在某些频段比此前地面实验的最佳结果严格约100倍，可与钱德拉X射线望远镜和核光谱望远镜阵列等空间观测的限制相媲美。

暗光子的搜寻结果则更具悬念。数据中出现若干持续存在的候选信号，部分特征与暗光子的理论预测相符，但是否确系暗物质信号，仍需进一步验证。

研究团队表示，若将全球地磁观测网络串联起来，就有望判断某地发现的候选信号是否在行星尺度上呈现一致模式，抑或仅仅是局部噪声。利用地球自身作为探测器，为人类提供了一种独立于实验室和中远天体环境的暗物质搜寻路径。