暗物质实验室的超导磁体可“聆听”宇宙的隐秘旋律

物理学家们刚刚为超导磁体找到了一项新用途：倾听来自宇宙的高频“低语”。

像LIGO这样的引力波探测器已经彻底改变了天文学，但其探测范围仅限于一个狭窄的频率区间。如今，物理学家们意外地发现了一种方法，可以极大地拓宽这一探测范围。

在一项新研究中，物理学家提出，原本为搜寻轴子（axions）而设计的暗物质实验所用的超导磁体，同样可以探测难以捉摸的千赫兹至兆赫兹频段（kHz-MHz）的引力波 —— 这是当前探测器无法触及的频率范围。

研究作者们指出，他们的研究“证明了直流（DC）磁体可以充当极其灵敏的引力波探测器。”如果成功，这种方法将为聆听宇宙提供一种新工具，并有可能揭示我们以前从未能观测到的宇宙事件信号。

对几十年老想法的新诠释

早在20世纪60年代，物理学家约瑟夫·韦伯（Joseph Weber）就尝试使用大型金属圆柱体探测引力波，希望当引力波经过时，这些圆柱体会产生轻微振动。

尽管他的“韦伯棒”（即圆柱体）在特定频率下有效，但超出那个窄频带就几乎“失聪”了。换句话说，它们就像只能清晰接收一个电台而错过其他所有频道的收音机。

该研究的作者之一、日内瓦大学理论粒子物理学家塞巴斯蒂安·埃利斯（Sebastian Ellis）表示：“我们认识到，韦伯棒的概念在引力波频率非常接近棒体自身共振模式时效果很好，但偏离共振时就不太灵了。”

当前的研究也受到了韦伯实验的启发，但它用磁体代替了金属棒。这是因为研究人员意识到，暗物质实验中使用的超导磁体已经储存了巨大的磁能。更重要的是，它们能够对更宽频率范围内的引力波作出响应，而不仅仅是韦伯原始设计所适用的狭窄频段。

当引力波穿过超导磁体时，会引起整个结构极其微小的晃动。这些微小的运动会使承载电流的装置形状发生畸变，而这种畸变最终会改变磁场。

这些变化极其微小，但称为SQUID（超导量子干涉仪）的先进传感器可以探测到它们。因此，与旧式韦伯棒需要将机械运动转换为电信号不同，这种基于磁体的方法直接产生磁信号，更易于测量且不易受噪声干扰。

磁体探测器的诸多优势

这项发现最令人兴奋的部分在于，这些磁体探测器将在迄今为止尚未探索的频率波段工作。LIGO —— 这个基于激光的观测站在2015年首次证实了引力波的存在 —— 极其灵敏，但其灵敏度主要局限在几千赫兹（kHz）以下。

然而，这项新技术有可能探测到高达10兆赫兹（MHz）的频率，为探测来自奇特天体物理事件或我们甚至尚未想象到的现象的信号提供了一种新途径。

还有一个实际优势。像DMRadio和ADMX-EFR这样的暗物质实验已经在使用这些强大的磁体。

这意味着科学家们无需建造全新的设备。这些磁体可以一物两用，既能搜寻暗物质，又能聆听高频引力波，使未来的实验更高效、更具成本效益。

然而，将这个想法变成现实解决方案并非易事。仪器需要屏蔽日常振动，这些振动可能会淹没微弱的信号。即使是环境中极其微小的震动也可能被误认为是引力波效应。

埃利斯补充道：“这一要求与LIGO以及传统的韦伯棒（如2吨重的AURIGA棒）所面临的要求非常相似。他们能够成功隔离设备干扰的事实让我们感到乐观。”

该团队目前正加大努力，以确定哪些类型的引力波信号可能会出现在这个高频范围内。他们还在探索更灵敏的量子传感器，以期进一步改进装置。如果成功，这可能会标志着天文学新篇章的开始 —— 宇宙将在我们从未聆听过的频率中，揭示其隐藏已久的秘密。

该研究已发表在《物理评论快报》期刊上。

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