Nam châm lơ lửng mở hai hướng mới trong cuộc săn vật chất tối

Nam châm lơ lửng biến một vật quen thuộc thành cảm biến cực nhạy. Khi nam châm không tỳ lên giá đỡ cơ học, ma sát và nhiễu do tiếp xúc giảm mạnh; vì vậy, mô-men từ cực nhỏ hoặc một xung lực rất yếu cũng có thể làm nó chuyển động đủ để đo được.

Đó là lý do cùng một nền tảng có thể phục vụ hai kiểu tìm kiếm vật chất tối gần như đối lập: một trường dao động bền bỉ của hạt siêu nhẹ, hoặc một cú hích cơ học hiếm hoi từ hạt siêu nặng. Kết quả hiện nay chưa phải phát hiện vật chất tối. Giá trị của các thí nghiệm là mở rộng những vùng khối lượng và cường độ tương tác mà trước đây chưa được kiểm tra trực tiếp. 1712

Hai thiết bị, hai kiểu tín hiệu

LeMaMa: săn trường axionlike dao động ở nhiệt độ phòng

Levitated Magnet Magnetometer, viết tắt là LeMaMa, sử dụng một nam châm sắt từ kích thước dưới milimét được treo lơ lửng không tiếp xúc trong buồng chân không. Nhóm Đại học Bắc Kinh và Đại học Johannes Gutenberg Mainz báo cáo độ nhạy từ trường 32 femtotesla trên căn hertz (32 fT/√Hz) ở nhiệt độ phòng, ngay cả khi thiết bị hoạt động trên nền từ trường cỡ millitesla. 18

Độ nhạy này quan trọng vì vật chất tối axionlike siêu nhẹ, nếu tương tác với photon, có thể tạo ra một tín hiệu từ hiệu dụng cực yếu nhưng tuần hoàn. Trong cấu hình cộng hưởng kép, nhóm đã tìm kiếm tín hiệu này trong dải 40–3.000 Hz và thiết lập các giới hạn trực tiếp mới đối với độ ghép axion–photon trong dải tần trên. 17

Đây không phải phép tìm kiếm hạt đập vào máy dò. Dấu hiệu mà LeMaMa nhắm đến là một dao động hẹp, có tần số xác định, nổi lên trên nền nhiễu. Việc đạt được độ nhạy đó ở nhiệt độ phòng đặc biệt đáng chú ý vì không cần vận hành cảm biến trong môi trường siêu lạnh. 1718

POLONAISE: chờ một cú hích từ vật chất tối siêu nặng

Chương trình POLONAISE của Đại học Rice đi theo hướng khác: levitate một hạt từ trong bẫy siêu dẫn ở nhiệt độ siêu lạnh và theo dõi xem có xung lực cơ học nào xuất hiện hay không. Xung lực đó có thể là dấu vết của một hạt vật chất tối siêu nặng đi qua thiết bị.

Phân tích được công bố khảo sát khối lượng từ 4 × 10^5 đến 8 × 10^14 GeV/c² — trải rộng khoảng chín bậc độ lớn. Thí nghiệm đặt giới hạn với các mô hình trong đó vật chất tối tương tác với neutron thông qua lực tầm xa kiểu Yukawa, với khối lượng hạt truyền lực lên tới khoảng 30 meV/c². 1

Chiến dịch không ghi nhận sự kiện nào đủ thuyết phục để quy cho vật chất tối. Tuy nhiên, kết quả rỗng vẫn có ý nghĩa: nó loại trừ một số tổ hợp giữa khối lượng hạt và cường độ tương tác, vốn lẽ ra phải tạo tín hiệu có thể phát hiện. 12

Khác với LeMaMa tìm dao động liên tục, POLONAISE được thiết kế cho tín hiệu thoáng qua và thưa thớt. Với các ứng viên cực nặng, thông lượng dự kiến có thể rất thấp. Vì thế, thách thức then chốt là phân biệt một cú hích thật với rung động, nhiễu điện từ hoặc các xáo trộn ngay tại phòng thí nghiệm.

Vì sao phải levitate nam châm?

Ưu thế cốt lõi là hao tán thấp. Tiếp xúc cơ học đưa ma sát và nhiễu vào hệ; loại bỏ điểm tựa cơ học giúp chuyển động quay hoặc tịnh tiến của nam châm phản ứng rõ hơn trước các tác động cực yếu. Nam châm vi mô lơ lửng vì vậy đã được đề xuất cho đo từ trường siêu nhiễu thấp, đo lực, gia tốc kế, đo trọng trường và các thí nghiệm vật lý cơ bản.

Trong nghiên cứu vật chất tối, lợi thế này hỗ trợ hai chiến lược:

• Đo từ trường: tìm trường hoặc mô-men dao động rất nhỏ liên quan đến vật chất tối siêu nhẹ.
• Đo xung lực cơ học: tìm sự truyền động lượng từ một hạt siêu nặng hiếm gặp.

Các kỹ thuật này không thay thế những thí nghiệm vật chất tối đã có. Chúng bổ sung những kiểu tín hiệu và vùng khối lượng mà máy dò giật lùi thông thường khó tiếp cận. 7171

Bước tiếp theo cho tìm kiếm hạt siêu nặng

Với các thiết bị kiểu POLONAISE, hai hướng nâng cấp chính là giảm nhiễu và triển khai nhiều cảm biến. Nhiệt độ thấp hơn có thể giảm chuyển động nhiệt. Một mạng cảm biến lơ lửng đặt cách nhau cũng có thể giúp nhận diện một sự kiện đi qua thật nhờ thời điểm tương quan hoặc thông tin về hướng, đồng thời loại các nhiễu rung cục bộ.

Dù vậy, khó khăn không nhỏ. Một đánh giá lý thuyết cho thấy việc phát hiện vật chất tối ở thang Planck chỉ thông qua hấp dẫn sẽ cần giảm nhiễu lượng tử cực mạnh và một mảng cảm biến rất lớn. Nghiên cứu này cũng kết luận rằng nhiều ứng viên vật chất tối khác, chưa được khảo sát, có thể nằm trong tầm với của các nền tảng cơ học hiện tại hoặc sắp xuất hiện. 4

Triển vọng ngoài vật chất tối

Đo từ não

Dòng điện trong tế bào thần kinh tạo ra từ trường cực yếu — tín hiệu được khai thác trong kỹ thuật từ não đồ, hay magnetoencephalography. SQUID và từ kế bơm quang là những công nghệ quan trọng cho phương pháp chụp ảnh não không xâm lấn này.

Độ nhạy femtotesla ở nhiệt độ phòng của LeMaMa khiến việc đo tín hiệu từ thần kinh trở thành một hướng ứng dụng dài hạn khả dĩ; nhóm Đại học Bắc Kinh cũng nêu đây là một triển vọng. Nhưng để thành hệ thống chụp ảnh thực tế, thiết bị vẫn cần giải quyết việc đóng gói chân không ổn định, che chắn từ trường, cách ly rung động, hiệu chuẩn và vận hành đồng thời nhiều cảm biến.

Lập bản đồ từ trường gần và thăm dò địa vật lý

Vì kết hợp phần tử cảm biến rất nhỏ với độ nhạy cao, LeMaMa cũng được định hướng cho chụp ảnh từ trường có độ phân giải không gian cao, phát hiện trường gần và thăm dò địa vật lý. Các phép đo từ nhạy có thể hữu ích trong việc định vị vật kim loại bị chôn lấp, chẳng hạn đường ống, cáp, thùng kim loại hoặc vật liệu nổ chưa phát nổ.

Đưa công nghệ ra ngoài phòng thí nghiệm sẽ khó hơn nhiều. Dao động của từ trường môi trường và rung động cơ học sẽ là những ràng buộc kỹ thuật lớn, nhất là với cảm biến cần phân giải những thay đổi từ trường cực nhỏ tại chỗ.

Ý nghĩa lớn hơn

Nam châm lơ lửng đang trở thành một nền tảng cảm biến chính xác linh hoạt, thay vì chỉ là một loại máy dò vật chất tối. LeMaMa cho thấy nam châm nổi ở nhiệt độ phòng có thể là từ kế siêu nhạy để tìm axionlike; POLONAISE cho thấy nam châm lơ lửng siêu lạnh có thể kiểm tra các mô hình hạt siêu nặng với tín hiệu hiếm. 171

Chưa có thí nghiệm nào trong số này phát hiện vật chất tối. Nhưng chúng đang biến nhiều phần hơn của “bản đồ” vật chất tối thành mục tiêu có thể kiểm chứng, đồng thời phát triển công cụ đo lường có thể hữu ích từ vật lý cơ bản đến đo từ não và khảo sát từ trường. 2