Ny forskning publicerad i Physical Review Letters tyder på att supraledande magneter som används i experiment för detektering av mörk materia skulle kunna fungera som mycket precisa gravitationsvågsdetektorer och därmed etablera ett helt nytt frekvensband för observation av dessa kosmiska vågor.
Detta koncept bygger vidare på den ursprungliga Weber-stångarkitekturen från 1960-talet, där Joseph Weber föreslog att gravitationsvågor skulle detekteras med hjälp av massiva metallcylindrar som skulle reagera genom mekanisk resonans.
Även om Webers teknik var framgångsrik vid vissa resonansfrekvenser, upplevde den minskad känslighet utanför dessa begränsade frekvensband.
Denna studie utvidgar konceptet och visar att likströmsmagneter kan fungera som magnetiska Weber-stänger, vilket potentiellt kan detektera gravitationsvågor i det tidigare utmanande frekvensområdet kilohertz till megahertz.
Phys.org talade med medförfattaren Dr Sebastian Ellis från Genèves universitet om forskningen, som han genomförde tillsammans med Valerie Domcke från CERN och Nicholas L. Rodd från Lawrence Berkeley National Laboratory.
”Vi insåg att Weber-stångkonceptet fungerar mycket bra om gravitationsvågfrekvensen ligger mycket nära stångens egen resonansfrekvens, men att det inte fungerar lika bra utanför resonansen”, förklarade Ellis för Phys.org. ”Man kan tänka sig det som ett instrument som spelar bra när det är stämt, men låter hemskt när det är ostämt.”
Den nya magnetiska metoden löser denna grundläggande begränsning genom att utnyttja den enorma magnetiska energi som lagras i superledande magneter, som vida överstiger den elektriska energi som finns tillgänglig i traditionella Weber-stångavläsningssystem.
Hur magnetfält interagerar med gravitationsvågor
Detekteringsmekanismen bygger på en smart tvåstegsinteraktion mellan gravitationsvågor och magnetfält.
En gravitationsvåg som passerar genom en supraledande magnet inducerar mikroskopiska vibrationer i hela strukturen, analogt med den knappt märkbara rörelsen hos LIGO:s speglar.
”När en gravitationsvåg passerar över och genom magneten orsakar den en vibration i hela strukturen, eftersom vågens effekt liknar den av en mekanisk kraft som verkar på objektet”, förklarade Ellis.
”Denna vibration leder till deformationer av strukturen som innehåller den tråd genom vilken strömmen flödar, vilket genererar ett magnetfält.”
Dessa deformationer skapar en oscillerande magnetfältkomponent som forskarna kan detektera med hjälp av extremt känsliga kvantsensorer som kallas SQUID (Superconducting Quantum Interferometric Devices).
En upptagningsslinga (som fungerar som en magnetisk antenn) placerad nära magnetens ände kan fånga upp dessa minimala förändringar i magnetfältet och omvandla gravitationsvågsignalerna direkt till elektromagnetiska avläsningar.
Metoden har flera viktiga fördelar jämfört med traditionella metoder.
Till skillnad från konventionella Weber-stänger som kräver komplex omvandling av mekaniska signaler till elektromagnetiska signaler, producerar magnetiska Weber-stänger i sig elektromagnetiska signaler. Detta eliminerar en betydande källa till störningar och komplikationer samtidigt som det ger bredbandskänslighet över ett omfattande frekvensspektrum.
Användning av mörk materia-experiment för att jaga gravitationsvågor
Forskningen lyfter särskilt fram kraftfulla magneter som konstrueras för axion-mörk materia-experiment, inklusive DMRadio och ADMX-EFR (Axion Dark Matter eXperiment—Extended Frequency Range).
Dessa experiment använder enorma supraledande magneter som samtidigt kan söka efter både mörk materia och gravitationsvågor.
”Den främsta fördelen med de magneter som kommer att användas för experiment med axionmörk materia är deras enorma magnetiska energi. De har mycket kraftfulla magnetfält och är dessutom mycket stora”, konstaterade Ellis.
”Som vi påpekade i vår artikel är det den (elektro-)magnetiska energin som dominerar off-resonanssensitiviteten hos en Weber-stång, oavsett om den är magnetisk eller traditionell.”
Forskarna uppskattade att känsligheten hos dessa MRI-magneter skulle vara något lägre än LIGO:s toppprestanda. Den skulle dock fungera över ett mycket bredare frekvensområde, från några kilohertz till cirka 10 megahertz.
Viktigt är att detta skulle göra den mer känslig än LIGO vid frekvenser över några kilohertz, vilket öppnar upp ett helt nytt detektionsfönster.
Nya kosmiska fönster
Detta frekvensområde är i stort sett outforskat för gravitationsvågastronomi.
Forskningen uppstod ur insikten att befintliga och planerade axionexperiment hade exakt rätt infrastruktur för gravitationsvågdetektering.
”Vår idé uppstod när vi insåg att planerade och befintliga experiment som riktar sig mot en mörk materia-kandidat känd som axion hade mycket stora, kraftfulla magneter som kunde användas samtidigt för att söka efter gravitationsvågor”, säger Ellis.
”Vi hoppades att möjligheten att söka efter två signaler istället för en skulle stärka de vetenskapliga argumenten för att genomföra dessa experiment.”
För att omvandla detta koncept till fungerande detektorer måste betydande tekniska hinder övervinnas, särskilt när det gäller att isolera instrumenten från omgivande vibrationer som kan efterlikna gravitationsvågsignaler.
”Enheten måste vara extremt väl isolerad från omgivande vibrationer”, påpekar Ellis.
”Detta krav är mycket likt det som LIGO och traditionella Weber-stänger, såsom den 2 ton tunga stången AURIGA, står inför. Det faktum att de lyckades isolera sina enheter gör oss optimistiska.”
Teamet utökar nu sitt samarbete och studerar specifika gravitationsvågsignaler som skulle kunna detekteras med fungerande magnetiska Weber-stänger. De utforskar också avancerade kvantavkänningstekniker som går utöver SQUID och som skulle kunna förbättra känsligheten ytterligare.
Mer information: Valerie Domcke et al, Magnets are Weber Bar Gravitational Wave Detectors, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/966v-r5fm
