Zwevende magneten openen twee nieuwe routes in de zoektocht naar donkere materie

Een zwevende magneet verandert een alledaags voorwerp in een uitzonderlijk gevoelige sensor. Doordat de magneet geen mechanische ophanging heeft die wrijft of trilt, kunnen heel kleine magnetische koppels en fysieke impulsen meetbare beweging veroorzaken. Daarmee is dezelfde techniek bruikbaar voor twee radicaal verschillende mogelijke signalen van donkere materie: een voortdurend oscillerend veld of juist een zeldzame, scherpe tik.

De belangrijkste uitkomst is vooralsnog geen ontdekking. De groepen van Peking University en Johannes Gutenberg-Universität Mainz, en het POLONAISE-programma van Rice University, hebben vooral laten zien dat ze complementaire, tot nu toe weinig onderzochte delen van de parameter­ruimte van donkere materie kunnen uitsluiten. 1712

Twee experimenten, twee soorten signaal

LeMaMa: zoeken naar oscillerende axionachtige velden bij kamertemperatuur

De Levitated Magnet Magnetometer, kortweg LeMaMa, gebruikt een ferromagneet kleiner dan een millimeter die zonder mechanisch contact in een vacuümopstelling zweeft. Het team van Peking University en Johannes Gutenberg-Universität Mainz rapporteerde een magnetische gevoeligheid bij kamertemperatuur van 32 femtotesla per wortel hertz, terwijl het instrument werkte in een achtergrondveld op milliteslaschaal. 18

Dat is relevant omdat een ultralicht axionachtig donker-materieveld een zeer zwak, periodiek effectief magnetisch signaal zou kunnen opwekken. In een uitvoering met dubbele resonantie zocht de samenwerking naar axionachtige donkere materie die aan fotonen koppelt, over 40–3.000 Hz. Daarbij werden nieuwe directe limieten vastgesteld voor de axion-fotonkoppeling in dat frequentiebereik. 17

Dit is geen experiment dat wacht tot een deeltje tegen de opstelling botst. Onderzoekers zoeken naar een coherent signaal met een goed bepaalde frequentie: een smalle oscillatie die boven de ruis van het instrument uitkomt. De werking bij kamertemperatuur is daarbij opvallend, omdat hoge gevoeligheid mogelijk blijkt zonder cryogene sensoren. 1718

POLONAISE: op zoek naar ultrazware donkere materie bij lage temperatuur

POLONAISE van Rice University kiest een andere route. Een magnetisch deeltje zweeft in een supergeleidende val bij cryogene temperatuur. De opstelling speurt naar een impuls: een kleine mechanische schop die een passerend, ultrazwaar donker-materiedeeltje zou kunnen veroorzaken.

De gepubliceerde analyse bestreek massa's van 4 × 10^5 tot 8 × 10^14 GeV/c² — ongeveer negen ordes van grootte. Het experiment stelde grenzen aan modellen waarin donkere materie via een lange-afstands-Yukawa-kracht met neutronen koppelt, voor mediatoren met een massa tot circa 30 meV/c². 1

Er werd geen geloofwaardig donker-materie-event gevonden. Ook zo'n nulresultaat is waardevol: het sluit gebieden uit waarin een detecteerbare passage verwacht zou zijn. 12

Waar LeMaMa naar een aanhoudende trilling zoekt, is POLONAISE gebouwd voor schaarse, kortdurende signalen. Bij extreem zware kandidaten kan de flux namelijk zeer laag zijn. Daarom moet de detector een echte impuls kunnen onderscheiden van trillingen, elektromagnetische storing en andere lokale verstoringen.

Waarom levitatie zo gevoelig is

Het grote voordeel is de lage dissipatie, oftewel het geringe energieverlies. Mechanisch contact brengt wrijving en ruis mee; levitatie neemt dat contact weg. Daardoor reageert de rotatie of verplaatsing van een magneet gemakkelijker op uiterst zwakke verstoringen. Zwevende micromagneten worden daarom ook onderzocht voor magnetometrie met zeer lage ruis, krachtmetingen, versnellingsmeters, zwaartekrachtmetingen en fundamentele fysica.

Voor donkere materie levert dat twee strategieën op:

• Magnetometrie: het meten van een minuscuul oscillerend veld of koppel dat met ultralichte donkere materie samenhangt.
• Detectie van mechanische impulsen: zoeken naar de overdracht van momentum door een zeldzaam, ultrazwaar deeltje.

Deze methoden vervangen bestaande experimenten niet. Ze verbreden de zoektocht naar signalen en massabereiken die minder goed passen bij conventionele detectoren voor kernterugslag. 7171

Wat nodig is voor de volgende stap

Voor detectoren in de stijl van POLONAISE zijn minder ruis en meerdere sensoren de belangrijkste vervolgstappen. Lagere temperaturen kunnen thermische beweging onderdrukken. Een ruimtelijk gescheiden netwerk van zwevende sensoren zou een echte passage kunnen herkennen aan overeenkomende aankomsttijden of richtinginformatie, en tegelijkertijd lokale trillingsruis beter kunnen afwijzen.

De technische opgave blijft enorm. Een theoretische studie naar mechanische sensoren concludeerde dat het opsporen van donkere materie op Planckschaal via uitsluitend zwaartekracht extreem grote ruisreducties en een zeer groot sensorennetwerk zou vereisen. Diezelfde studie stelt echter dat veel andere, nog niet onderzochte kandidaten bereikbaar kunnen zijn met bestaande of nabije mechanische platforms. 4

Mogelijke toepassingen buiten donkere materie

Magnetische beeldvorming van hersenactiviteit

Neurale stromen wekken buitengewoon zwakke magneetvelden op. Die vormen de basis van magneto-encefalografie (MEG), een niet-invasieve techniek voor hersenbeeldvorming. SQUID-sensoren en optisch gepompte magnetometers spelen daarin een belangrijke rol.

De femtotesla-gevoeligheid van LeMaMa bij kamertemperatuur maakt metingen van neurale magneetsignalen op langere termijn voorstelbaar. Het team van Peking University noemt deze toepassing zelf als mogelijkheid. Van een laboratoriumsensor naar een bruikbaar beeldvormingssysteem is echter nog een grote stap: betrouwbare vacuümverpakking, magnetische afscherming, trillingsisolatie, kalibratie en gebruik van meerdere sensoren zijn dan nodig.

Geofysica en magnetische metingen op korte afstand

Omdat LeMaMa een zeer kleine sensormagneet met hoge gevoeligheid combineert, zien de ontwikkelaars ook toepassingen in magnetische beeldvorming met hoge ruimtelijke resolutie, detectie op korte afstand en geofysische verkenning. Gevoelige magnetische metingen kunnen bijvoorbeeld helpen bij het opsporen van begraven metalen objecten, zoals leidingen, kabels, metalen vaten of niet-ontplofte munitie.

Buiten het laboratorium wordt dat lastiger. Variaties in omgevingsmagnetisme en trillingen zullen waarschijnlijk belangrijke technische beperkingen zijn voor een sensor die zeer zwakke lokale signalen moet onderscheiden.

Het bredere beeld

Zwevende magneten ontwikkelen zich tot een flexibel platform voor precisiemetingen, niet tot één enkel type detector voor donkere materie. LeMaMa laat zien dat een zwevende magneet bij kamertemperatuur kan functioneren als breedbandige, uiterst gevoelige magnetometer voor axionachtige donkere materie. POLONAISE toont dat een cryogene zwevende magneet modellen met zeldzame interacties van ultrazware deeltjes kan toetsen. 171

Geen van beide experimenten heeft donkere materie aangetoond. Hun betekenis ligt erin dat een groter deel van het landschap van donkere materie experimenteel toetsbaar wordt — en dat de bijbehorende sensortechniek mogelijk ook waarde krijgt voor hersenonderzoek en magnetische verkenning. 2