MAGGIE: A Magnetic Gravitational Wave Induction Experiment

Zwaartekracht is de kracht die onze voeten op de grond houdt en de planeten in hun banen houdt, maar in de meest extreme uithoeken van het universum kan zij ook rimpelen. Deze rimpelingen, bekend als gravitatiewaven, zijn verstoringen in het weefsel van de ruimtetijd zelf, gegenereerd door gewelddadige kosmische gebeurtenissen zoals botsende zwarte gaten of de chaotische geboorte van het universum. Decennialang hebben wetenschappers naar deze rimpelingen geluisterd met behulp van massieve laserinterferometers, wat in essentie gigantische linialen zijn die minuscule veranderingen in afstand meten. Deze instrumenten zijn ongelooflijk succesvol geweest, maar ze zijn afgestemd om alleen de diepe, langzame gebrommen van het kosmos te horen, overeenkomend met frequenties tussen één en duizend cycli per seconde. Dit laat een uitgestrekt, stil gebied van het gravitatiespectrum volledig onverkend: het hoogfrequente bereik, waar golven duizenden of zelfs miljoenen keren per seconde kunnen trillen. Als deze hoogfrequente golven bestaan, zouden ze geheimen kunnen bevatten over de vroegste momenten van de oerknal of de aard van onzichtbare donkere materie, maar nog nooit heeft iemand een detector gebouwd die in staat is om ze te horen.

Een team van natuurkundigen aan de Universiteit van Hamburg heeft nu een nieuwe manier voorgesteld om naar dit stille gebied te luisteren, door een experiment genaand MAGGIE te introduceren. De kern van het idee berust op een vreemde maar goed begrepen interactie tussen zwaartekracht en elektriciteit. Wanneer een gravitatiewave door een krachtig magnetisch veld gaat, rekt deze niet alleen de ruimte uit; het duwt ook het elektromagnetische veld een zetje, waardoor er effectief een minuscule, vluchtige elektrische stroom ontstaat. Dit fenomeen, bekend als het Gertsenshtein-effect, betekent dat als je een sterk genoeg magneet hebt, een passerende gravitatiewave een meetbaar signaal in de omringende ruimte moet induceren. De uitdaging is echter dat deze geïnduceerde signalen ongelooflijk zwak zijn en gemakkelijk worden overstemd door de thermische ruis van de apparatuur of het gezoem van het elektriciteitsnet. Om ze te vinden, hadden de onderzoekers een opstelling nodig die dit specifieke signaal kon isoleren van de rest.

Het MAGGIE-experiment is ontworpen om te werken binnen een massieve supergeleidende magneet die een veld genereert van 14 tesla, een sterkte die ongeveer 300.000 keer die van het aardmagnetisch veld is. Deze magneet, oorspronkelijk gebouwd voor een ander type deeltjesfysica-onderzoek, heeft een hol centrum, of boring, waar de onderzoekers van plan zijn hun detector te installeren. Binnen deze warme, kamertemperatuur tunnel zullen ze een op maat gemaakte opvangspoel plaatsen. Deze lus is geen eenvoudige cirkel; hij is gevormd als een figuur-acht. Deze specifieke geometrie is cruciaal omdat het signaal van de gravitatiewave waar ze naar zoeken een uniek patroon heeft dat van richting verandert terwijl het rond de magneet beweegt. Een eenvoudige cirkelvormige lus zou gelijke hoeveelheden signaal van tegenovergestelde zijden opvangen, waardoor ze elkaar opheffen en de detector blind maakt. De figuur-acht vorm is echter ontworpen om het signaal in de ene lob en het tegenovergestelde signaal in de andere te vangen, maar op een manier dat ze bij elkaar optellen in plaats van elkaar op te heffen, waardoor er een netto spanning ontstaat die gemeten kan worden.

Om ervoor te zorgen dat elk signaal dat ze zien werkelijk van een gravitatiewave komt en niet gewoon willekeurige elektronische ruis is, heeft het team een slim systeem van controles gebouwd. Naast de hoofddetector in de vorm van een figuur-acht, zullen ze een tweede lus installeren die de vorm heeft van een perfecte cirkel, een zogenaamde 'blind loop'. Vanwege de symmetrie van deze cirkelvormige lus zou deze nooit een signaal van een gravitatiew wave opvangen, hoe sterk deze ook is. Als de hoofddetector en de blinde lus tegelijkertijd een piek registreren, weet het team dat het slechts achtergrondruis of lokale interferentie is, en kunnen ze het verwerpen. Als de hoofddetector iets hoort wat de blinde lus niet hoort, dan is dat een kandidaat voor een echte ontdekking. Ze zullen ook een derde lus gebruiken om bekende testsignalen in het systeem te injecteren, zodat ze kunnen verifiëren dat hun elektronica correct werkt en dat hun software de zwakke fluisteringen van de zwaartekracht nauwkeurig kan identificeren.

Het experiment is ontworpen om twee zeer verschillende soorten signalen te jagen. De eerste zijn continue golven, die afkomstig kunnen zijn van een constante bron zoals een snel draaiend zwart gat dat energie afstraalt, of een achtergrondgezoem dat is overgebleven van de oerknal. Voor deze plannen de onderzoekers om een heel jaar lang te luisteren, waarbij ze de gegevens langzaam stapelen om het signaal duidelijker te maken. De tweede soort zijn transiënte signalen, wat korte, scherpe uitbarstingen zijn veroorzaakt door catastrofale gebeurtenissen zoals de samensmelting van twee oer-zwarte gaten. Om deze vluchtige momenten te vangen, heeft het team een geavanceerd computersysteem ontwikkeld dat in realtime werkt. Dit systeem vergelijkt de binnenkomende gegevens met een uitgebreide bibliotheek van voorspelde golfpatronen, op zoek naar een match die boven de ruis uitsteekt. Deze aanpak stelt hen in staat om direct enorme hoeveelheden gegevens te filteren en alleen de meest veelbelovende kandidaten te markeren voor verdere studie.

Op basis van hun berekeningen en de capaciteiten van hun apparatuur, projecteren de onderzoekers dat MAGGIE een gevoeligheid kan bereiken waarbij het gravitatiewaven kan detecteren met een vervorming van ongeveer één op de honderd triljoen bij een frequentie van 40 miljoen cycli per seconde. Dit niveau van gevoeligheid zou het experiment in staat stellen om regio's van het universum te verkennen die nog nooit eerder zijn verkend, wat potentieel bepaalde theorieën over hoe het universum begon of hoe donkere materie verdeeld is, kan weerleggen. Hoewel de detector nog in aanbouw is en nog geen eerste gegevens heeft verzameld, vertegenwoordigt het ontwerp een belangrijke stap voorwaarts. Door gebruik te maken van bestaande magneettechnologie en een nieuwe detectiemethode toe te passen, heeft het team een pad gecreëerd om te luisteren naar de hoogfrequente symfonie van het kosmos, wat een nieuwe manier biedt om de fundamentele wetten van de fysica te testen en misschien de verborgen geschiedenis van ons universum te ontdekken.