Svävande magneter öppnar två nya vägar i jakten på mörk materia

En magnet som svävar utan mekanisk kontakt kan bli en ovanligt känslig sensor. När inget fäste skaver mot magneten kan mycket små magnetiska vridmoment eller fysiska stötar ge rörelser som går att mäta.

Det gör samma grundteknik intressant för två mycket olika tänkbara former av mörk materia: dels ett beständigt fält som oscillerar med en viss frekvens, dels en sällsynt partikelpassage som ger apparaten en kort, skarp knuff.

Det viktiga resultatet hittills är inte att mörk materia har upptäckts. Forskargrupperna har i stället visat två kompletterande sätt att pröva tidigare outforskade kombinationer av mörk materias massa och växelverkan. 1712

Två experiment för två slags signaler

LeMaMa: rumstempererad jakt på oscillerande axionliknande fält

Levitated Magnet Magnetometer, LeMaMa, använder en ferromagnet som är mindre än en millimeter och hålls svävande i vakuum utan mekanisk kontakt. Teamet från Peking University och Johannes Gutenberg-universitetet i Mainz har rapporterat en magnetisk känslighet på 32 femtotesla per roten ur hertz vid rumstemperatur, trots ett bakgrundsfält i milliteslaområdet. 18

Känsligheten är relevant eftersom ett ultralätt axionliknande mörk-materia-fält i teorin kan ge upphov till en mycket svag, periodisk effektiv magnetisk signal. Med en så kallad dubbelresonans sökte samarbetet efter axionliknande mörk materia som kopplar till fotoner i frekvensintervallet 40–3 000 Hz. Resultatet gav nya direkta gränser för axion–foton-kopplingen i intervallet. 17

Här söker man alltså inte efter en partikel som träffar instrumentet. Signaturen är i stället en sammanhängande och frekvensbestämd svängning som ska urskiljas över instrumentets brus. Att systemet fungerar vid rumstemperatur är särskilt intressant: hög känslighet behöver då inte kräva kryogen drift av själva sensorn. 1718

POLONAISE: kryogen jakt på ultratung mörk materia

Rice Universitys POLONAISE är byggt för ett helt annat scenario. Där svävar en magnetisk partikel i en supraledande fälla vid kryogen temperatur. Forskarna övervakar den för att hitta en impuls – en liten mekanisk knuff – som skulle kunna orsakas av en passerande ultratung mörk-materia-partikel.

Analysen omfattade mörk materia med massor från 4 × 10^5 till 8 × 10^14 GeV/c², ett spann på omkring nio storleksordningar. Experimentet satte gränser för mörk materia som kopplar till neutroner genom en långräckviddig Yukawa-liknande kraft, för förmedlarpartikelmassor upp till cirka 30 meV/c². 1

Ingen trovärdig mörk-materia-händelse hittades. Även ett nollresultat är dock användbart: det utesluter delar av det område för massa och växelverkan där en mätbar passage borde ha setts. 12

Till skillnad från LeMaMas kontinuerliga sökning efter svängningar är POLONAISE avsett för sällsynta, tillfälliga signaler. Om kandidaterna är exceptionellt massiva förväntas flödet vara mycket lågt. Därför måste detektorn kunna skilja en verklig impuls från vibrationer, elektromagnetiska störningar och andra lokala effekter.

Varför levitation gör skillnad

Den centrala fördelen är låg energiförlust. Mekanisk kontakt ger friktion och brus; levitation tar bort stödkontakten och låter magnetens rotations- eller translationsrörelse reagera lättare på mycket svaga störningar. Svävande mikromagneter har därför föreslagits för magnetometri med mycket lågt brus, kraftmätning, accelerometri, gravimetri och experiment inom fundamental fysik.

För sökandet efter mörk materia ger detta två tydliga strategier:

• Magnetometri: att mäta ett mycket svagt oscillerande fält eller vridmoment kopplat till ultralätt mörk materia.
• Mekanisk impulsmätning: att leta efter rörelsemängdsöverföringen från en sällsynt, ultratung partikel.

Metoderna ersätter inte etablerade mörk-materia-experiment. De breddar i stället sökandet till signaturer och massintervall som vanliga rekylbaserade detektorer är sämre anpassade för. 7171

Nästa steg: lägre brus och flera sensorer

För detektorer av POLONAISE-typ är lägre brus och flera sensorer avgörande nästa steg. Lägre temperaturer kan dämpa den termiska rörelsen. Ett utspritt nätverk av svävande sensorer skulle dessutom kunna bekräfta en verklig passage genom samstämmig tidtagning eller riktningsinformation – och samtidigt sortera bort lokala vibrationsstörningar.

Utmaningen är betydande. En teoretisk studie av mekaniska sensorer fann att jakt på mörk materia med Planckmassa enbart via gravitation skulle kräva mycket stora brusreduktioner och ett mycket stort sensorfält. Samma studie pekar dock på att många andra, ännu oprövade kandidater kan vara åtkomliga med befintliga eller nära förestående mekaniska plattformar. 4

Möjliga användningar bortom mörk materia

Mätning av hjärnans magnetiska signaler

Nervcellers strömmar skapar extremt svaga magnetfält, vilka mäts inom magnetoencefalografi. SQUID-sensorer och optiskt pumpade magnetometrar är etablerade tekniker för denna icke-invasiva form av hjärnavbildning.

LeMaMas femtoteslakänslighet vid rumstemperatur gör mätning av neurala magnetiska signaler till en möjlig långsiktig tillämpning. Peking-gruppen nämner uttryckligen detta som ett användningsområde. För att utveckla ett praktiskt bildsystem krävs dock fortfarande tillförlitlig vakuuminkapsling, magnetisk skärmning, vibrationsisolering, kalibrering och drift med flera sensorer.

Magnetisk kartläggning nära objekt och i marken

LeMaMas mycket lilla sensormagnet i kombination med hög känslighet kan enligt utvecklarna användas för magnetisk avbildning med hög rumslig upplösning, närfältsdetektion och geofysisk prospektering. Känsliga magnetmätningar kan bland annat vara användbara för att lokalisera nedgrävda metallföremål såsom rör, kablar, tunnor eller oexploderad ammunition.

Utanför laboratoriet blir kraven högre. Variationer i omgivningens magnetfält och vibrationer blir sannolikt avgörande tekniska hinder när en sensor ska kunna urskilja ytterst svaga lokala signaler.

Den större bilden

Svävande magneter håller på att utvecklas till en flexibel plattform för precisionsmätning snarare än en enda sorts mörk-materia-detektor. LeMaMa visar att en svävande magnet vid rumstemperatur kan fungera som en bredbandig och ultrasensitiv magnetometer för axionliknande mörk materia. POLONAISE visar att en kryogen svävande magnet kan testa sällsynta händelser från modeller med ultratunga partiklar. 171

Inget av experimenten har ännu upptäckt mörk materia. Bidraget är att göra en större del av mörk-materielandskapet experimentellt testbar – och att samtidigt utveckla sensorer som kan få betydelse inom allt från grundfysik till hjärnavbildning och magnetisk prospektering. 2