Новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, предлагает использовать сверхпроводящие магниты, применяемые в экспериментах по обнаружению тёмной материи, в качестве высокоточных детекторов гравитационных волн. Это позволит открыть новую полосу частот для наблюдения этих космических возмущений.
Концепция основана на архитектуре «веберовских стержней» 1960-х годов
Идея расширяет первоначальную концепцию Джозефа Вебера, который предложил обнаруживать гравитационные волны с помощью массивных металлических цилиндров, реагирующих через механический резонанс. Хотя техника Вебера была успешной на определённых резонансных частотах, за их пределами чувствительность снижалась.
Преодоление ограничений
В новом исследовании показано, что магниты постоянного тока могут функционировать как магнитные веберовские стержни, потенциально обнаруживая гравитационные волны в ранее сложном диапазоне частот от килогерц до мегагерц.
Доктор Себастьян Эллис из Женевского университета, один из авторов исследования, рассказал Phys.org, что концепция веберовского стержня работает очень хорошо, если частота гравитационной волны близка к резонансному режиму самого стержня. Однако она не так эффективна вне резонанса.
Механизм обнаружения
Механизм обнаружения основан на двухэтапном взаимодействии между гравитационными волнами и магнитными полями. Гравитационная волна, проходящая через сверхпроводящий магнит, вызывает микроскопические вибрации по всей структуре, аналогичные едва заметному движению зеркал LIGO.
Эти деформации создают осциллирующий компонент магнитного поля, который исследователи могут обнаружить с помощью чрезвычайно чувствительных квантовых датчиков, называемых СКВИДами (сверхпроводящими квантовыми интерферометрическими устройствами).
Преимущества нового подхода
В отличие от обычных веберовских стержней, которые требуют сложного преобразования механико-электромагнитного сигнала, магнитные веберовские стержни генерируют электромагнитные сигналы. Это устраняет значительный источник помех и усложнений, обеспечивая широкополосную чувствительность в широком диапазоне частот.
Исследование подчёркивает важность мощных магнитов, используемых в экспериментах по поиску аксионной тёмной материи, включая DMRadio и ADMX-EFR (Axion Dark Matter eXperiment — Extended Frequency Range). Эти эксперименты используют огромные сверхпроводящие магниты, которые могут одновременно искать тёмную материю и гравитационные волны.
Чувствительность и перспективы
Исследователи подсчитали, что чувствительность этих магнитов будет несколько ниже, чем у LIGO на пике производительности. Однако они будут работать в гораздо более широком диапазоне частот — от нескольких килогерц до примерно 10 мегагерц. Это сделает их более чувствительными, чем LIGO на частотах выше нескольких килогерц, открыв совершенно новое окно для обнаружения.
Преобразование этой концепции в работающие детекторы потребует преодоления значительных технических препятствий, особенно в изоляции приборов от вибраций окружающей среды, которые могут имитировать сигналы гравитационных волн.