Magnetisk nyckel till ESS-fysik

Vid Lunds universitet byggs magnetisk infrastruktur som kan bli del av ett framtida ESS-strålrör. Målet är att möjliggöra världsledande experiment om mörk materia, neutronernas egenskaper och universums obalans mellan materia och antimateria.

När den europeiska spallationskällan ESS tas i drift i Lund öppnas revolutionerande möjligheter att studera materia med neutroner. Men för att vissa av de mest känsliga experimenten ska bli möjliga krävs inte bara en stark neutronkälla, utan också noggrann kontroll över magnetfält.
Det är kärnan i ett projekt som leds av Valentina Santoro och finansieras av SSF. Projektet utvecklar magnetisk infrastruktur för FINESSE/NNBAR-programmet, ett föreslaget experimentprogram vid ESS som bland annat ska söka efter sällsynta neutronomvandlingar och möjliga spår av ny fysik. Resultatet kan bli forskning på Nobelprisnivå.
– Nu bygger vi upp infrastrukturen som ska bli en del av ESS framtida, föreslagna strålrör (”beamline”), berättar Valentina Santoro, biträdande professor i partikel- och kärnfysik vid Lunds universitet.

Söker efter mörk materia
Valentina Santoro utsågs 2023 till Research Infrastructure Fellow av SSF. Hennes roll är avgörande när det kommer till att utveckla den infrastruktur som behövs för strålröret. På sikt kommer dessutom kunskapen från projektet att kunna överföras till utvecklingsprojekt för andra framtida strålrör.
När strålröret står klart kommer en av de första tänkta tillämpningarna att bli sökandet efter axionliknande partiklar, en möjlig kandidat till mörk materia. Mörk materia syns inte direkt, men dess gravitationseffekter märks i universum. Trots det vet fysiken ännu inte vad den består av.
– För hela 85 procent av universums materia har vi helt enkelt ingen aning om vad den består av, påpekar Valentina Santoros kollega Linus Persson, doktorand i partikel- och kärnfysik.

Starka magnetskydd behövs
I experimentet studeras neutroner och deras så kallade spinn. Om axionliknande partiklar finns kan de ge upphov till en mycket svag effekt som liknar ett magnetfält. För att kunna urskilja en sådan signal måste forskarna veta exakt vilka magnetfält som finns i experimentet – och samtidigt skärma bort störningar från omgivningen. En mycket svår uppgift, eftersom jordens magnetfält påverkar allting.
– Vi behöver vara extremt säkra på vilka magnetfält vi faktiskt har inuti experimentet, förklarar Matthias Holl, forskningsingenjör vid avdelningen för partikel- och kärnfysik.
Därför upphandlas nu ett specialbyggt magnetiskt skydd. På sikt ska även skyddet kompletteras med spolar som gör det möjligt att inte bara skärma bort magnetfält utan även skapa och styra dem mycket precist.
– Vi hoppas nu att vi kan gå vidare till upphandling och i princip ha en prototyp av magnetskyddet färdigt i ett labb här på Lunds universitet vid slutet av året, berättar Matthias Holl.

Mjukvara för homogena fält
Samtidigt bygger Linus Persson upp simuleringsverktyg för att förstå hur neutronerna rör sig genom försöksmiljön och hur deras spinn påverkas. Det kräver beräkningar av neutronbanor, magnetfält, skärmning och spinnutveckling i samma modell.
– Första delen av min doktorsavhandling har handlat om att utveckla en mjukvara som kan klara det. Och den senaste tiden har det handlat om att se till att spolarna skapar fina homogena fält så att experimentet blir så känsligt som möjligt för axionliknande partiklar, säger han.
Infrastrukturen ska också vara flexibel. Den första tillämpningen gäller axionliknande partiklar, men samma magnetiska miljö kan senare användas i andra experiment, exempelvis sökandet efter neutron–antineutron-oscillationer. En sådan upptäckt skulle kunna ge ledtrådar till varför universum i dag innehåller mer materia än antimateria.

Ska bli främst i världen
ESS väntas bli världens mest kraftfulla spallationskälla för neutroner, så möjligheterna till stora vetenskapliga framsteg är enorma.
Den strategiska dimensionen är samtidigt tydlig. För även om Sverige har finansierat en stor del av ESS saknas ännu en svensk strållinje. Därför blir projektet också ett sätt att säkra långsiktig svensk närvaro i den forskning som anläggningen ska möjliggöra.
– Tack vare det här stödet kan vi se till att den här anläggningen utvecklas till världsledande forskningsinfrastruktur, förklarar Valentina Santoro.