GravMAGA

GravMAGA — A Gravitational-Wave Magnetic-Field Antenna

GravMAGA nutzt die Kopplung von hochfrequenten Gravitationswellen (HFGWs) an den Elektromagnetismus in Gegenwart eines starken Magnetfelds für die Suche nach diesen Wellen. Eine vorbeiziehende Gravitationswelle in einem externen Feld induziert einen effektiven Verschiebungsstrom, der einen sekundären Magnetfluss erzeugt, ähnlich wie im Fall von WISPLC. GravMAGA misst diesen Fluss mit einer speziell entwickelten Aufnehmergeometrie im Inneren des 14 Tesla supraleitenden Solenoidmagneten an der Universität Hamburg.

Im Zentrum des Detektors steht eine achtförmige („8-förmige“) Aufnahmeschleife, die die azimutale Symmetrie der induzierten Ströme aufhebt und den durch Gravitationswellen erzeugten Fluss in eine messbare Spannung umwandelt. Eine symmetrische „Blindschleife“ dient gleichzeitig als Hintergrund-/Veto-Kanal, während eine Injektionsschleife eine In-situ-Kalibrierung ermöglicht. Signale aus der Mess- und der Blindschleife werden parallel verstärkt, bandgefiltert und digitalisiert, was eine Rauschunterdrückung in Echtzeit ermöglicht.

Das wissenschaftliche Ziel sind breitbandige und transiente HFGW-Signale im Frequenzbereich von 100 kHz bis 10 MHz, einschließlich Vorlagen für Verschmelzungen primordialer Schwarzer Löcher und anderer kurzer Bursts. Eine GPU-beschleunigte Matched-Filter-Pipeline (Zeitbereich) wertet Kandidatenereignisse online unter Verwendung einer Vorlagenbank aus, während eine kontinuierliche Überwachung die spektrale Dichte des Spannungsrauschens und Umgebungsdiagnosen verfolgt. Mit der aktuellen Geometrie skaliert die Amplitudenreichweite stark mit der Frequenz, und die projizierte Empfindlichkeit erstreckt sich über ≈ 10⁻¹⁴ – 10⁻¹⁸ über das gesamte Band, was einen unerforschten Parameterraum für HFGWs eröffnet.

Die Entwicklung des Detektors für GravMAGA ist abgeschlossen, derzeit läuft die Inbetriebnahme, während gleichzeitig die Optimierung der magnetischen Abschirmung und der Masseisolierung zur Verbesserung der Rauschunterdrückung umgesetzt wird. Der modulare Spulenhalter und die abgeschirmte Auslesung ermöglichen unkomplizierte zukünftige Erweiterungen (z. B. zusätzliche Wicklungen, verfeinerte Filterung, erweiterte Bandbreite). Der Zugang zum warmen Kern des 14-Tesla Magneten vereinfacht die Installation und Kalibrierung, wodurch sich die Plattform gut für iterative Verbesserungen und ausgedehnte Beobachtungskampagnen eignet.

Abbildung 11:

Schematische Übersicht über das GravMAGA Experiment. Ein 14T Solenoidmagnet mit warmem Bohrloch beherbergt drei Aufnahmeschleifen: die Messschleife (ML, grün), die zur Kalibrierung verwendete Signaleinspeiseschleife (SIL, blau) und die Blindschleife (BL, rot), die als interner Monitor für Rauschen und systematische Fehler dient. Die ML- und BL-Signale werden mit rauscharmen Verstärkern (LNAs) verstärkt, mit Bandpassfiltern (BPFs) gefiltert und in einem abgeschirmten Gehäuse durch einen synchronisierten Zweikanal Analog-zu-Digital-Konverter (ADC) digitalisiert. Kalibrierungssignale werden über die SIL unter Verwendung eines Signalgenerators (SG) eingespeist, der auf einen gemeinsamen 10MHz Takt referenziert ist.

Abbildung 12:

Projizierte Sensitivität von GravMAGA für kontinuierliche Signale unter der Annahme eines Magnetfeldes von 14 T, 10 Windungen pro Schleife, einer Schleifenfläche von 914 cm², SNR=3 und einer spektralen Spannungsrauschdichte von √S_V = 7,07 × 10⁻⁹ V/√Hz. Der zugängliche Frequenzbereich erstreckt sich von 10 kHz bis 10 MHz.

Ausgewählte Vorträge und Veröffentlichungen

J. Jödicke, M. Maroudas, T.-S. Cezar, D. Horns, GravMAGA: A Gravitational-Wave Magnetic-Field Antenna (concept note, 2025).
M. Maroudas, “Axion, ALP, and HFGW Searches Across Complementary Experimental Frontiers”, 20th Patras Workshop on Axions, WIMPs and WISPs, Lisbon, 24–26 Sept 2025. https://agenda.infn.it/event/46273/contributions/269303/

Möchtest du eine Abschlussarbeit (BSc/MSc) zu diesem Thema schreiben? Schau dir unsere Themenvorschläge an.