Левитирующие магниты открывают два новых направления в поиске тёмной материи

Левитирующий магнит — это не просто эффектная физическая демонстрация, а чрезвычайно чувствительный датчик. У магнита нет механической опоры, а значит, нет трения в точке контакта и связанного с ним шума. Поэтому крошечный магнитный момент или очень слабый толчок могут вызвать движение, которое удаётся измерить.

Именно это делает такие установки полезными для двух совершенно разных сценариев тёмной материи: постоянного, но колеблющегося поля — и редкого краткого столкновения с частицей. Пока речь не о регистрации тёмной материи. Команды Пекинского университета и Университета Йоханна Гутенберга в Майнце, а также Университета Райса с программой POLONAISE показали, что могут исключать ранее не проверявшиеся сочетания массы гипотетической частицы и силы её взаимодействия с обычным веществом. 1712

Два прибора — два типа сигнала

LeMaMa: поиск колеблющихся аксионоподобных полей при комнатной температуре

Магнитометр Levitated Magnet Magnetometer, или LeMaMa, использует ферромагнит размером менее миллиметра, подвешенный в вакууме без механического контакта. Группа из Пекинского университета и Университета Йоханна Гутенберга в Майнце сообщила о магнитной чувствительности 32 фемтотесла/√Гц при комнатной температуре на фоне поля порядка миллитеслы. 18

Это важно для поиска сверхлёгкой аксионоподобной тёмной материи: такое поле могло бы создавать крайне слабый периодический эффективный магнитный сигнал. В конфигурации с двойным резонансом коллаборация искала аксионоподобную тёмную материю, взаимодействующую с фотонами, в диапазоне 40–3000 Гц и установила новые прямые ограничения на константу аксион-фотонного взаимодействия в этой полосе. 17

Здесь не пытаются поймать частицу, ударившуюся о детектор. Искомый признак — узкая периодическая линия на определённой частоте, возвышающаяся над шумом прибора. Принципиально, что высокая чувствительность достигнута без криогенного охлаждения датчика. 1718

POLONAISE: криогенный поиск сверхтяжёлой тёмной материи

Проект Университета Райса POLONAISE рассчитан на противоположный режим. В нём магнитную частицу удерживают в сверхпроводящей ловушке при криогенной температуре и следят за возможным импульсом — слабым механическим толчком, который могла бы оставить пролетающая сверхтяжёлая частица тёмной материи.

Опубликованный анализ охватил массы от 4 × 10^5 до 8 × 10^14 ГэВ/c² — примерно девять порядков величины. Были получены ограничения для моделей, в которых тёмная материя взаимодействует с нейтронами посредством дальнодействующей силы типа Юкавы, при массах переносчика взаимодействия до примерно 30 мэВ/c². 1

Ни одного убедительного события, которое можно было бы связать с тёмной материей, обнаружить не удалось. Но и нулевой результат информативен: он исключает часть области параметров, где прохождение частицы должно было бы дать заметный сигнал. 12

В отличие от непрерывного поиска колебаний в LeMaMa, POLONAISE рассчитан на редкие кратковременные события. Поток исключительно массивных кандидатов может быть очень мал, поэтому прибору необходимо отличать реальный импульс от вибрации, электромагнитных наводок и иных локальных возмущений.

Почему именно левитация даёт преимущество

Главное преимущество — малые потери энергии. Механический контакт создаёт трение и шум; левитация убирает опору, позволяя вращательному или поступательному движению магнита заметнее отвечать на очень слабые внешние воздействия. Левитирующие микромагниты поэтому рассматривают как основу для магнитометров, датчиков силы, акселерометров, гравиметров и экспериментов по фундаментальной физике с предельно низким уровнем шума.

В поиске тёмной материи это открывает две стратегии:

• Магнитометрия — измерение слабого колеблющегося поля или крутящего момента, связанного со сверхлёгкой тёмной материей.
• Регистрация механического импульса — поиск переданного импульса от редкой сверхтяжёлой частицы.

Такие методы не заменяют уже существующие эксперименты с тёмной материей. Их задача — расширить поиск на сигнатуры и диапазоны масс, для которых обычные детекторы отдачи подходят плохо. 7171

Что дальше для поиска сверхтяжёлых частиц

Для установок типа POLONAISE ключевыми станут снижение шума и создание сети нескольких детекторов. Более низкая температура уменьшает тепловое движение. Разнесённый массив левитирующих сенсоров мог бы подтвердить настоящее прохождение частицы по согласованному времени срабатывания или направлению её движения — и одновременно отсеять локальные вибрации.

Сложность задачи не стоит недооценивать. Теоретическая оценка показала: чтобы обнаружить тёмную материю планковской массы, взаимодействующую только гравитационно, потребовалось бы чрезвычайно сильно снизить шум и построить очень большой массив датчиков. В то же время многие другие, пока не исследованные варианты тёмной материи могут быть доступны уже существующим либо ближайшим экспериментальным механическим платформам. 4

Возможные применения за пределами физики частиц

Нейромагнитная визуализация

Токи в нейронах создают очень слабые магнитные поля — именно их измеряет магнитоэнцефалография. Сегодня для такой неинвазивной визуализации мозга важны СКВИД-датчики и оптически накачиваемые магнитометры.

Чувствительность LeMaMa на уровне фемтотесл при комнатной температуре делает регистрацию нейромагнитных сигналов правдоподобным долгосрочным применением. Разработчики прямо называют измерение нейромагнитных сигналов среди возможных задач. Однако до практической системы визуализации ещё далеко: понадобятся надёжная вакуумная упаковка, магнитное экранирование, виброизоляция, калибровка и работа массива датчиков.

Геофизика и картирование магнитных полей вблизи объекта

Небольшой чувствительный магнит LeMaMa в сочетании с высокой чувствительностью потенциально пригоден для магнитной визуализации с высоким пространственным разрешением, ближнего обнаружения и геофизической разведки. Чувствительные магнитные измерения, в частности, могут помогать искать под землёй металлические объекты: трубы, кабели, бочки или неразорвавшиеся боеприпасы.

Работа вне лаборатории будет гораздо труднее. Для прибора, призванного различать исключительно слабые локальные сигналы, главными инженерными проблемами, вероятно, станут вибрации и изменчивость внешнего магнитного поля.

Главное

Левитирующие магниты превращаются в универсальную платформу для точных измерений, а не в узкоспециализированный детектор тёмной материи. LeMaMa показывает, что «парящий» магнит при комнатной температуре может работать как широкополосный сверхчувствительный магнитометр для поиска аксионоподобной тёмной материи. POLONAISE демонстрирует другой путь: криогенный левитирующий магнит может проверять модели редких событий со сверхтяжёлыми частицами. 171

Ни одна из установок пока не обнаружила тёмную материю. Их вклад в том, что они делают большую часть её гипотетического «ландшафта» доступной для эксперимента — и одновременно развивают датчики, которые в будущем могут найти применение от исследований мозга до магнитной разведки. 2