Levitující magnety otevírají dvě nové cesty při hledání temné hmoty

Levitující magnet promění drobný feromagnet v mimořádně citlivé čidlo. Protože magnet není uchycen mechanickou opěrou, která by do měření vnášela tření a šum, mohou i velmi malé magnetické momenty nebo fyzikální impulsy vyvolat pozorovatelný pohyb.

Právě tato vlastnost otevírá dvě značně rozdílné cesty k pátrání po temné hmotě. Jedna míří na trvalý, periodicky se měnící signál ultralehkého pole. Druhá hledá ojedinělý nárazový impuls, který by mohl zanechat extrémně hmotná částice. Dosavadní výsledek není objev temné hmoty: týmy z Pekingské univerzity a Univerzity Johannese Gutenberga v Mohuči i Riceovy univerzity ukázaly, že lze testovat dosud neprozkoumané kombinace hmotnosti a síly interakce. 1712

Dva přístroje, dva typy podpisu

LeMaMa: pokojová teplota a oscilující axionům podobné pole

LeMaMa (Levitated Magnet Magnetometer) využívá feromagnet menší než milimetr, který levituje ve vakuu bez mechanického kontaktu. Tým z Pekingské univerzity a Univerzity Johannese Gutenberga v Mohuči uvedl magnetickou citlivost 32 femtotesla na odmocninu hertzu (32 fT/√Hz) při pokojové teplotě a v pozadí magnetického pole řádu militesla. 18

To je důležité proto, že ultralehké axionům podobné pole temné hmoty by mohlo vyvolat velmi slabý periodický efektivní magnetický signál. Ve verzi s dvojitou rezonancí spolupráce hledala axionům podobnou temnou hmotu vázanou na fotony v pásmu 40 až 3 000 Hz a stanovila nové přímé limity vazby axionu na fotony v tomto frekvenčním rozsahu. 17

Nejde tedy o hledání částice, která by do zařízení narazila. Vědci hledají úzký, koherentní kmitočtový signál vyčnívající nad šumem přístroje. Významným rysem je provoz při pokojové teplotě: vysoká citlivost zde nevyžaduje kryogenní provoz samotného senzoru. 1718

POLONAISE: kryogenní detektor pro ultra těžkou temnou hmotu

Program POLONAISE na Riceově univerzitě pracuje v jiném režimu. Magnetická částice levituje v supravodivé pasti při kryogenní teplotě a přístroj sleduje krátký impuls — drobné mechanické „šťouchnutí“ — které by mohla způsobit prolétávající ultra těžká částice temné hmoty.

Zveřejněná analýza pokryla hmotnosti od 4 × 10^5 do 8 × 10^14 GeV/c², tedy přibližně devět řádů. Stanovila limity pro modely, v nichž se temná hmota váže na neutrony prostřednictvím dlouhodosahové síly typu Yukawa, pro hmotnosti zprostředkující částice až asi 30 meV/c². 1

Kampaň nepřinesla žádnou věrohodnou událost temné hmoty. I nulový výsledek má ale hodnotu: vylučuje ty části prostoru parametrů, kde by se při dané hmotnosti a síle interakce očekával zachytitelný průlet. 12

Na rozdíl od LeMaMa, který naslouchá nepřetržitému kmitání, je POLONAISE určen pro řídké přechodné signály. U mimořádně hmotných kandidátů může být tok částic velmi nízký. Detektor proto musí bezpečně odlišit skutečný impuls od vibrací, elektromagnetického rušení a dalších lokálních poruch.

Proč je levitace tak výhodná

Hlavní předností je nízké tlumení. Mechanický kontakt přidává tření i šum; levitace tuto oporu odstraňuje, takže rotační nebo přímočarý pohyb magnetu může citlivěji reagovat na velmi slabé působení. Levitující mikromagnety se proto navrhují jako senzory pro magnetometrii s mimořádně nízkým šumem, měření síly, zrychlení či gravitace i pro experimenty základní fyziky.

V hledání temné hmoty se tato výhoda promítá do dvou strategií:

• Magnetometrie: měření slabého oscilujícího pole nebo momentu síly spojeného s ultralehkou temnou hmotou.
• Snímání mechanických impulsů: hledání předaného hybnosti při vzácném průletu ultra těžké částice.

Tyto postupy nenahrazují zavedené experimenty s temnou hmotou. Rozšiřují ale hledání do oblastí hmotností a typů signálů, pro něž nejsou běžné detektory částicového zpětného rázu ideálně uzpůsobeny. 7171

Co bude potřeba pro další krok

U detektorů typu POLONAISE budou klíčové nižší šum a více senzorů. Nižší teplota může omezit tepelný pohyb. Oddělené pole levitujících senzorů by navíc mohlo potvrdit skutečný průlet podle časové souvislosti či směru signálu a zároveň vyřadit lokální vibrační rušení.

Obtížnost tohoto cíle je však značná. Teoretická studie mechanických senzorů ukázala, že detekce temné hmoty s hmotností blízkou Planckově škále, pokud by působila pouze gravitací, by vyžadovala mimořádné snížení šumu a velmi rozsáhlé pole detektorů. Tatáž práce ale uvádí, že řada jiných, dosud neprozkoumaných kandidátů by mohla být dosažitelná již současnými nebo blízkými budoucími mechanickými platformami. 4

Možné využití mimo fyziku částic

Měření magnetické aktivity mozku

Nervové proudy vytvářejí extrémně slabá magnetická pole, která využívá magnetoencefalografie — neinvazivní metoda zobrazování činnosti mozku. K jejím hlavním technologiím patří SQUIDy a opticky čerpané magnetometry.

Citlivost LeMaMa ve femtoteslovém pásmu při pokojové teplotě činí ze snímání nervových magnetických signálů realistickou dlouhodobou možnost. Tým z Pekingské univerzity jej výslovně uvádí mezi potenciálními aplikacemi. Ke skutečně použitelnému zobrazovacímu systému by ovšem bylo nutné vyřešit spolehlivé vakuové pouzdro, magnetické stínění, izolaci proti vibracím, kalibraci i provoz více senzorů současně.

Geofyzika a mapování magnetických polí zblízka

LeMaMa kombinuje malý snímací magnet s vysokou citlivostí. Jeho autoři proto zmiňují magnetické zobrazování s vysokým prostorovým rozlišením, detekci v blízkém poli a geofyzikální průzkum. Citlivá magnetická měření mohou pomoci při hledání podzemních kovových objektů, například potrubí, kabelů, kovových sudů nebo nevybuchlé munice.

Nasazení mimo laboratoř by však bylo podstatně obtížnější. Proměnlivé okolní magnetické pole a vibrace by byly zásadními technickými překážkami, zejména u čidla, které má rozlišit mimořádně slabé lokální změny.

Širší význam

Levitující magnety se rýsují jako všestranná platforma pro přesná měření, nikoli jen jako jediný typ detektoru temné hmoty. LeMaMa ukazuje, že magnet levitující při pokojové teplotě může fungovat jako širokopásmový ultrasenzitivní magnetometr pro hledání axionům podobné temné hmoty. POLONAISE naopak ukazuje, že kryogenně levitující magnet může prověřovat modely vzácných událostí spojených s ultra těžkými částicemi. 171

Ani jeden experiment zatím temnou hmotu neobjevil. Jejich přínosem je, že větší část hypotetického prostoru temné hmoty přechází z teorie do experimentálně testovatelné oblasti — a že vznikají senzory s možným přesahem od základního výzkumu až po zobrazování mozku a magnetický průzkum. 2