MAGGIE: A Magnetic Gravitational Wave Induction Experiment

MAGGIE nutzt die Kopplung von hochfrequenten Gravitationswellen (HFGWs) an den Elektromagnetismus in Gegenwart eines starken Magnetfelds für die Suche. Eine passierende Gravitationswelle in einem externen Feld induziert einen effektiven Verschiebungsstrom, der einen sekundären Magnetfluss erzeugt, ähnlich wie im Fall von WISPLC. MAGGIE 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 10 kHz bis 40 MHz, einschließlich Vorlagen für Verschmelzungen primordialer Schwarzer Löcher und anderer kurzer Bursts. Eine GPU-beschleunigte Matched-Filter-Pipeline wertet Kandidatenereignisse online unter Verwendung einer Vorlagenbank aus, während eine kontinuierliche Überwachung die spektrale Dichte des Spannungsrauschens und Umgebungsdiagnosen verfolgt. Die erwartete experimentelle Amplitudensensitivität in Bezug auf die spektrale Rauschdichte bei 40 MHz wird für transiente Suchen voraussichtlich bei ∼4 × 10⁻¹⁶/√Hz liegen und in Bezug auf die Amplitude bei ∼10⁻¹⁹ für eine kontinuierliche Suchdauer von 1 Jahr. Dies ermöglicht es MAGGIE, bislang unerforschte Bereiche des HFGW-Parameterspektrums einzuschränken.

Die Entwicklung des Detektors für MAGGIE 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 1: Schematische Übersicht von MAGGIE. Ein 14T Solenoidmagnet mit drei Aufnahmeschleifen im warmen Bohrloch: 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 Hochimpedanzverstärkern (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.

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Abbildung 2: 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, einer Integrationszeit von einem Jahr und einer spektralen Spannungsrauschdichte von √S_V = 7,07 × 10⁻⁹ V/√Hz. Der zugängliche Frequenzbereich erstreckt sich von 10 kHz bis 40 MHz.

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Abbildung 3: Die projezierte Amplitudendehnung-äquivalente SND von MAGGIE für ×-polarisierte transiente Gravitationswellensignale aus PBH-Doppelsystemen gleicher Masse, ausgewertet für SNR=3 (lila Fläche), sowie die mit einem Faktor von G≈7.72 gegenüber der Schmalbandabschätzung verbesserte Empfindlichkeit bei der Schablonenfilteranalyse. Die zugehörige PBH-Masse wird aus der ISCO-Relation bestimmt. Mithilfe der Schablonenfilteranalyse wird die erwartete Empfindlichkeit (lila Linie) um ungefähr eine Größenordnung erhöht.

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/

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