Un misterioso señal alrededor de la Tierra podría ser materia oscura

La materia oscura representa uno de los mayores enigmas de la física moderna. Aunque los astrónomos están convencidos de su existencia y estiman que constituye aproximadamente una cuarta parte del contenido energético total del universo, su composición sigue siendo un misterio.

Entre las posibilidades más discutidas se encuentran partículas hipotéticas conocidas como axiones ultraligeros y fotones oscuros. Estas partículas, en el rango de masa investigado por los científicos, serían extraordinariamente ligeras, aproximadamente entre 19 y 21 órdenes de magnitud más ligeras que un electrón.

Un detector gigante en la Tierra

Los experimentos tradicionales sobre axiones suelen intentar convertir estos en fotones mediante la exposición a campos magnéticos extremadamente fuertes en laboratorios. Sin embargo, este enfoque presenta limitaciones de escala. A pesar de que los imanes de laboratorio son poderosos, solo pueden cubrir áreas relativamente pequeñas.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Kioto, la Universidad de Hiroshima y la Universidad de Nihon ideó una solución innovadora: utilizar el propio entorno magnético de la Tierra como parte del experimento. "Nos preguntamos si podríamos usar la Tierra misma como un detector gigante en la búsqueda", afirmó el autor correspondiente Atsushi Taruya. "La cavidad tierra-ionosfera actúa como un resonador natural que amplifica las ondas electromagnéticas justo en el rango de masa que queríamos explorar".

El espacio entre la superficie terrestre y la ionosfera puede resonar naturalmente con ondas electromagnéticas, lo que lo convierte en un área valiosa para buscar señales asociadas a las partículas ultraligeras que el equipo deseaba investigar.

Ampliando la búsqueda a frecuencias más altas

Un desafío previo era que la teoría solo podía describir de manera confiable frecuencias por debajo de 1 Hz, dejando gran parte del rango de frecuencias potencialmente útil inexplorado. Para abordar este problema, los investigadores desarrollaron un nuevo marco teórico que incluye la conductividad eléctrica de la atmósfera. Sus cálculos demostraron que la cavidad tierra-ionosfera puede amplificar señales cerca de 8 Hz y les permitió hacer predicciones confiables hasta aproximadamente 30 Hz.

El modelo también predijo una diferencia significativa entre los dos candidatos a materia oscura. Las señales producidas por los axiones deberían variar según la ubicación, con las más fuertes esperadas en el sudeste asiático. En contraste, las señales de fotones oscuros deberían aparecer con casi la misma intensidad en todo el mundo.

Una década de datos magnéticos en análisis

Utilizando este marco teórico, el equipo examinó aproximadamente 10 años de mediciones geomagnéticas recopiladas entre 2012 y 2022 por el Observatorio Eskdalemuir del British Geological Survey. Primero, eliminaron las fuentes de ruido artificial de los datos y luego buscaron un tipo de señal constante concentrada en un rango de frecuencia muy estrecho que se espera que produzca la materia oscura a lo largo de períodos prolongados. Los resultados fueron sometidos a análisis estadísticos.

El mismo enfoque teórico se aplicó también a los fotones oscuros. A diferencia de los axiones, los fotones oscuros pueden producir ondas electromagnéticas incluso sin un campo magnético presente, por lo que los investigadores buscaron en el conjunto de datos la firma diferente que se esperaría de esas partículas.

Límites más estrictos y señales misteriosas

Al utilizar efectivamente toda la Tierra como detector para un rango particular de masas de axiones, los investigadores establecieron nuevos límites sobre cuán fuertemente los axiones podrían interactuar con la luz. Estos límites fueron aproximadamente 100 veces más estrictos que el mejor resultado anterior de un experimento terrestre. También fueron competitivos con las restricciones inferidas de observaciones astrofísicas de rayos X realizadas por observatorios como Chandra y NuSTAR, aunque esos límites astrofísicos dependen de ciertas suposiciones teóricas.

La búsqueda de fotones oscuros produjo un resultado especialmente intrigante. Los investigadores identificaron varios candidatos a señales que podrían tener un origen en la materia oscura. Sin embargo, la fuente de esas señales sigue siendo desconocida y no se han confirmado como evidencia de materia oscura.

La verdadera identidad de la materia oscura, por lo tanto, permanece sin resolver. No obstante, el nuevo marco teórico podría proporcionar a los investigadores una herramienta poderosa para expandir búsquedas futuras y utilizar el entorno electromagnético natural de la Tierra como un medio para investigar algunas de las formas más ligeras posibles de materia oscura.