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Un segnale misterioso che arriva dal campo magnetico terrestre potrebbe avere a che fare con la materia oscura, e a suggerirlo è un gruppo di ricercatori giapponesi che ha deciso di usare il pianeta intero come rilevatore. Niente laboratori sotterranei o magneti giganteschi: stavolta lo strumento è la Terra, con la sua atmosfera e il suo campo magnetico, sfruttati per cercare le forme più leggere mai ipotizzate di questa sostanza invisibile.
Il punto di partenza è noto a chiunque si occupi di cosmologia. Gli astronomi sono piuttosto sicuri che la materia oscura esista e stimano che rappresenti circa un quarto del contenuto energetico totale dell’universo, però nessuno sa ancora di cosa sia fatta. Tra le candidate più accreditate ci sono due particelle ipotetiche, gli assioni ultraleggeri e i fotoni oscuri. Nell’intervallo di massa preso in esame dallo studio parliamo di oggetti leggerissimi, qualcosa come 19 o 21 ordini di grandezza più leggeri di un elettrone.
La Terra come rivelatore gigante
Gli esperimenti classici sugli assioni provano a convertirli in fotoni esponendoli a campi magnetici molto intensi generati in laboratorio. Il limite, però, è sempre lo stesso: la scala. Anche i magneti più potenti coprono una regione di spazio tutto sommato piccola. I ricercatori di Kyoto University, Hiroshima University e Nihon University hanno ragionato al contrario, chiedendosi se l’ambiente magnetico naturale del pianeta potesse fare da amplificatore.
“Ci siamo chiesti se potessimo usare la Terra stessa come un gigantesco rivelatore nella ricerca”, spiega Atsushi Taruya, autore di riferimento del lavoro. “La cavità formata da Terra e ionosfera funziona come un risonatore naturale che amplifica le onde elettromagnetiche proprio nell’intervallo di massa che volevamo sondare.”
Lo spazio compreso tra la superficie terrestre e la ionosfera, in effetti, si comporta come una grande cassa di risonanza per le onde elettromagnetiche. Una caratteristica che lo rende particolarmente adatto a cercare le tracce delle particelle ultraleggere al centro dell’indagine.
Il salto verso frequenze più alte
C’era un ostacolo teorico da superare. I modelli precedenti riuscivano a descrivere in modo affidabile solo le frequenze sotto 1 Hz, lasciando fuori buona parte della finestra interessante. Il gruppo ha quindi costruito un nuovo quadro teorico che tiene conto anche della conducibilità elettrica dell’atmosfera. I calcoli hanno mostrato che la cavità Terra ionosfera amplifica i segnali attorno a 8 Hz e permette previsioni attendibili fino a circa 30 Hz.
Il modello prevede anche una differenza importante tra i due candidati. I segnali prodotti dagli assioni dovrebbero cambiare a seconda della posizione geografica, con l’intensità massima attesa nel Sud Est asiatico. Quelli dei fotoni oscuri, invece, dovrebbero risultare praticamente identici ovunque nel mondo.
Dieci anni di dati magnetici sotto la lente
Con questo strumento in mano, il team ha analizzato circa dieci anni di misurazioni geomagnetiche raccolte tra il 2012 e il 2022 dall’osservatorio di Eskdalemuir del British Geological Survey. Prima è stato ripulito il rumore di origine artificiale, poi si è passati alla caccia vera e propria: un segnale stabile e concentrato in una banda di frequenza strettissima, esattamente il tipo di traccia che la materia oscura dovrebbe lasciare su tempi lunghi. Il tutto sottoposto ad analisi statistica. Lo stesso approccio è stato applicato ai fotoni oscuri, che a differenza degli assioni possono generare onde elettromagnetiche anche in assenza di campo magnetico, quindi con una firma diversa da cercare nei dati.
Il risultato sugli assioni è netto: nuovi limiti su quanto intensamente possano interagire con la luce, circa 100 volte più stringenti rispetto al miglior risultato precedente ottenuto da un esperimento a terra. Numeri competitivi anche con i vincoli ricavati dalle osservazioni astrofisiche nei raggi X di osservatori come Chandra e NuSTAR, che però dipendono da alcune assunzioni teoriche. La parte più stuzzicante riguarda i fotoni oscuri. Sono emersi diversi candidati a segnale che potrebbero avere origine nella materia oscura, ma la loro provenienza resta sconosciuta e nessuno di essi è stato confermato come prova.
