Levitende magneter åpner to nye veier i jakten på mørk materie

En magnet som svever fritt, uten mekanisk kontakt med et feste, kan bli en uvanlig følsom sensor. Når friksjon og støy fra en fysisk opphengsmekanisme fjernes, kan svært små magnetiske dreiemomenter eller korte fysiske støt sette magneten i målbar bevegelse.

Det gjør leviterte magneter interessante i jakten på mørk materie – men på to helt ulike måter. Én type eksperiment leter etter et vedvarende, periodisk signal fra et ultralett felt. En annen ser etter det sjeldne, brå støtet fra en svært tung mørk-materie-partikkel.

Det viktigste resultatet så langt er ikke en oppdagelse. Forskergruppene ved Peking University og Johannes Gutenberg-universitetet i Mainz, samt Rice Universitys POLONAISE-program, har i stedet vist hvordan slike sensorer kan utelukke tidligere uprøvde kombinasjoner av mørk materies masse og vekselvirkningsstyrke. 1712

To eksperimenter, to mulige signaturer

LeMaMa: romtemperaturjakt på oscillerende aksionlignende felt

Levitated Magnet Magnetometer, eller LeMaMa, bruker en ferromagnet mindre enn én millimeter som holdes svevende i vakuum uten mekanisk kontakt. Teamet fra Peking University og Johannes Gutenberg-universitetet i Mainz rapporterte en magnetisk følsomhet på 32 femtotesla per kvadratrot hertz ved romtemperatur, samtidig som instrumentet arbeidet i et bakgrunnsfelt på millitesla-nivå. 18

Dette er relevant fordi et ultralett, aksionlignende mørk-materie-felt kan gi et ekstremt svakt, periodisk effektivt magnetsignal. Med en dobbel-resonans-løsning søkte samarbeidet etter aksionlignende mørk materie som kobler seg til fotoner, i frekvensområdet 40–3 000 Hz. De rapporterte nye direkte grenser for aksion–foton-koblingen i dette området. 17

Her leter forskerne ikke etter en partikkel som treffer apparatet. Signaturen de søker er en sammenhengende, smalbåndet svingning som stikker seg ut over instrumentets egen støy. At dette kan gjøres ved romtemperatur, er særlig interessant: høy følsomhet kan i prinsippet oppnås uten at selve sensoren må drives kryogent. 1718

POLONAISE: kryogen jakt på ultratung mørk materie

Rice Universitys POLONAISE er laget for et helt annet scenario. Eksperimentet leviterer en magnetisk partikkel i en superledende felle ved kryogen temperatur og overvåker den for en impuls – et lite mekanisk spark – som kan skyldes en passerende ultratung mørk-materie-partikkel.

Analysen omfattet mørk materie med masser fra 4 × 10^5 til 8 × 10^14 GeV/c², omtrent ni størrelsesordener. Forskerne satte grenser for modeller der mørk materie kobler seg til nøytroner gjennom en langtrekkende kraft av Yukawa-type, for formidlermasser opp til rundt 30 meV/c². 1

Ingen troverdig mørk-materie-hendelse ble funnet. Likevel er nullresultatet nyttig: Det utelukker deler av området for masse og vekselvirkning der en detekterbar passasje ellers ville vært forventet. 12

I motsetning til LeMaMas kontinuerlige søk etter svingninger, er POLONAISE konstruert for sjeldne og kortvarige signaler. Dersom kandidatene er ekstremt massive, kan fluksen være svært lav. Da må systemet skille et ekte støt fra vibrasjoner, elektromagnetisk forstyrrelse og andre lokale hendelser.

Hvorfor levitasjon gir en fordel

Fordelen er lav energitap og mindre mekanisk støy. Kontakt med et feste innfører friksjon og forstyrrelser; levitasjon fjerner denne kontakten og gjør magnetens rotasjon eller lineære bevegelse mer mottakelig for svært svake påvirkninger. Leviterte mikromagneter er derfor foreslått brukt til magnetometri med svært lav støy, kraftmåling, akselerometri, gravimetri og grunnleggende fysikk.

I mørk-materie-forskningen gir dette to komplementære strategier:

• Magnetometri: Måle et svakt oscillerende felt eller dreiemoment knyttet til ultralett mørk materie.
• Mekanisk impulsdeteksjon: Lete etter impulsoverføring fra en sjelden, ultratung partikkel.

Metodene erstatter ikke etablerte mørk-materie-eksperimenter. De utvider i stedet søket til signaltyper og masseområder som vanlige rekylbaserte detektorer er dårligere egnet til å undersøke. 7171

Neste steg for søk etter ultratung mørk materie

For POLONAISE-lignende detektorer blir lavere støy og flere sensorer avgjørende. Lavere temperatur kan redusere termisk bevegelse. Et romlig adskilt nettverk av leviterte sensorer kan dessuten gjøre det lettere å identifisere en reell passasje ved hjelp av sammenfall i tid eller informasjon om retning – og samtidig avvise lokale vibrasjoner.

Utfordringen er betydelig. En teoretisk vurdering av mekaniske sensorer konkluderte med at deteksjon av mørk materie på Planck-skala bare gjennom gravitasjon ville kreve svært kraftig støyreduksjon og et enormt sensorarray. Den samme vurderingen peker imidlertid på at mange andre, hittil uutforskede kandidater kan være tilgjengelige for eksisterende eller nær fremtidige mekaniske plattformer. 4

Mulige bruksområder utenfor mørk materie

Magnetisk avbildning av hjerneaktivitet

Elektriske strømmer i nevroner skaper svært svake magnetfelt. Det er disse signalene magnetoencefalografi måler, en ikke-invasiv metode for å undersøke hjerneaktivitet. SQUID-sensorer og optisk pumpede magnetometre er viktige teknologier på dette området.

LeMaMas følsomhet på femtotesla-nivå ved romtemperatur gjør måling av nevrale magnetsignaler til en mulig langsiktig anvendelse. Peking University-gruppen nevner selv slike målinger som et framtidig bruksområde. En praktisk avbildningsløsning vil likevel kreve pålitelig vakuuminnkapsling, magnetisk skjerming, vibrasjonsisolasjon, kalibrering og drift av flere sensorer samtidig.

Geofysikk og magnetisk nærfeltskartlegging

LeMaMa kombinerer en svært liten sensormagnet med høy følsomhet. Utviklerne peker derfor på magnetisk avbildning med høy romlig oppløsning, nærfeltsdeteksjon og geofysisk utforskning som mulige anvendelser. Følsomme magnetmålinger kan blant annet være nyttige for å lokalisere nedgravde metallgjenstander som rør, kabler, tromler eller ueksplodert ammunisjon.

Bruk utenfor laboratoriet blir imidlertid krevende. Variasjoner i miljøets magnetfelt og vibrasjoner vil trolig være blant de viktigste tekniske hindringene når sensoren skal måle ekstremt svake, lokale signaler.

Et bredere verktøy for presisjonsmåling

Leviterte magneter er i ferd med å utvikle seg til en fleksibel plattform for presisjonsmåling, ikke bare en enkelt type mørk-materie-detektor. LeMaMa viser at en svevende magnet ved romtemperatur kan fungere som et bredbåndet og ultrasensitivt magnetometer i søket etter aksionlignende mørk materie. POLONAISE viser at en kryogen levitert magnet kan teste modeller med sjeldne hendelser fra ultratunge partikler. 171

Ingen av eksperimentene har funnet mørk materie. Bidraget deres er å gjøre en større del av det mulige mørk-materie-landskapet eksperimentelt testbart – og å utvikle sensorteknologi som på sikt kan være nyttig både i grunnfysikk, hjerneavbildning og magnetisk utforskning. 2