Доцент кафедры физики и астрономии Университета штата Луизиана Томас Корбитт и его группа исследователей теперь представляют первое широкополосное внерезонансное измерение квантового шума давления излучения в звуковом диапазоне на частотах, соответствующих детекторам гравитационных волн, как сообщается сегодня в научный журнал Nature.
Исследование было поддержано Национальным научным фондом (NSF), и результаты намекают на методы повышения чувствительности детекторов гравитационных волн за счет разработки методов уменьшения неточности измерений, называемых «обратным действием», что увеличивает шансы обнаружения гравитационных волн. волны.
Корбитт и исследователи разработали физические устройства, которые позволяют наблюдать и слышать квантовые эффекты при комнатной температуре. Часто квантовые эффекты легче измерить при очень низких температурах, тогда как такой подход приближает их к человеческому опыту.
Размещенные в миниатюрных моделях детекторов, таких как LIGO или гравитационно-волновая обсерватория с лазерным интерферометром, расположенная в Ливингстоне, штат Луизиана., и Хэнфорд, штат Вашингтон., эти устройства состоят из монокристаллических микрорезонаторов с низкими потерями – каждый из них представляет собой крошечную зеркальную площадку размером с иголку, подвешенную на консоли. Лазерный луч направляется на одно из этих зеркал, и когда луч отражается, колеблющееся давление излучения достаточно, чтобы изогнуть консольную структуру, заставляя зеркальную подушку вибрировать, что создает шум.
Гравитационно-волновые интерферометры используют как можно большую мощность лазера, чтобы минимизировать неопределенность, вызванную измерением дискретных фотонов, и максимизировать отношение сигнал / шум. Эти более мощные лучи повышают точность позиционирования, но также увеличивают обратное действие, которое представляет собой неопределенность в количестве фотонов, отражающихся от зеркала, что соответствует флуктуирующей силе из-за давления излучения на зеркало, вызывая механическое движение. Другие типы шума, такие как тепловой шум, обычно преобладают над шумом квантового радиационного давления, но Корбитт и его команда, включая сотрудников Массачусетского технологического института, отсортировали их.
Усовершенствованный LIGO и другие интерферометры второго и третьего поколения будут ограничены квантовым шумом давления излучения на низких частотах при работе на полной мощности лазера. Статья Корбитта в Nature предлагает подсказки о том, как исследователи могут решить эту проблему при измерении гравитационных волн.
"Учитывая необходимость более чувствительных детекторов гравитационных волн, важно изучить эффекты квантового шума давления излучения в системе, подобной Advanced LIGO, которая будет ограничена квантовым шумом давления излучения в широком диапазоне частот, далеких от механических. резонансная частота подвески испытательной массы ", – сказал Корбитт.
Джонатан Крайп, бывший научный советник Корбитта и ведущий автор статьи в Nature, окончил ЛГУ со степенью доктора философии.D. доктор физики в прошлом году, а сейчас работает научным сотрудником с докторской степенью в Национальном институте стандартов и технологий:
«Изо дня в день в LSU, когда я выполнял предварительную работу по разработке этого эксперимента и микрозеркал и размещал всю оптику на столе, я действительно не думал о влиянии будущих результатов», Cripe сказал. "Я просто сосредотачивался на каждом отдельном шаге и делал вещи по одному дню за раз. [Но] теперь, когда мы завершили эксперимент, действительно удивительно сделать шаг назад и подумать о том факте, что квантовая механика – что-то, что кажется потусторонним и удаленным от повседневного человеческого опыта – является основным двигателем движения зеркало, видимое человеческим глазом. Квантовый вакуум, или «ничто», может влиять на то, что вы видите."
Педро Марронетти, физик и директор программы NSF, отмечает, что может быть сложно проверить новые идеи по улучшению детекторов гравитационных волн, особенно при уменьшении шума, который можно измерить только с помощью полномасштабного интерферометра:
«Этот прорыв открывает новые возможности для тестирования шумоподавления», – сказал он. Относительная простота подхода делает его доступным для широкого круга исследовательских групп, потенциально увеличивая участие более широкого научного сообщества в гравитационно-волновой астрофизике."