Onderzoekers van de National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) hebben gebruik gemaakt van de infrastructuur van de voormalige TAMA300-zwaartekrachtgolfdetector in Mitaka, Tokio, om een ​​nieuwe techniek te demonstreren om kwantumruis in detectoren te verminderen. Deze nieuwe techniek zal de gevoeligheid verhogen van de detectoren die deel uitmaken van een wereldwijd samenwerkend zwaartekrachtgolfnetwerk, waardoor ze zwakkere golven kunnen waarnemen.

Toen het in 2000 met waarnemingen begon, TAMA300 was een van 's werelds eerste grootschalige interferometrische zwaartekrachtgolfdetectoren. Op dat moment had TAMA300 de hoogste gevoeligheid ter wereld, het instellen van een bovengrens voor de sterkte van zwaartekrachtsgolfsignalen; maar de eerste detectie van echte zwaartekrachtsgolven werd 15 jaar later in 2015 gedaan door LIGO. Vanaf dat moment, detectortechnologie is zo verbeterd dat moderne detectoren meerdere signalen per maand waarnemen. De wetenschappelijke resultaten van deze waarnemingen zijn al indrukwekkend, en er worden er nog veel meer verwacht in de komende decennia. TAMA300 doet niet langer mee aan waarnemingen, maar wordt nog steeds gebruikt als testbed voor nieuwe technologieën om andere detectoren te verbeteren.

De gevoeligheid van huidige en toekomstige zwaartekrachtgolfdetectoren wordt op bijna alle frequenties beperkt door kwantumruis veroorzaakt door de effecten van vacuümfluctuaties van de elektromagnetische velden. Maar zelfs deze inherente kwantumruis kan worden omzeild. Het is mogelijk om de vacuümfluctuaties te manipuleren om de kwantumonzekerheden te herverdelen, het verminderen van het ene type geluid ten koste van het verhogen van een ander, minder hinderlijk type geluid. Deze techniek, bekend als vacuüm knijpen, is al geïmplementeerd in zwaartekrachtgolfdetectoren, hun gevoeligheid voor zwaartekrachtsgolven met een hogere frequentie aanzienlijk vergroten. Maar de optomechanische interactie tussen het elektromagnetische veld en de spiegels van de detector zorgt ervoor dat het effect van vacuümknijpen afhankelijk van de frequentie verandert. Dus bij lage frequenties, vacuüm knijpen verhoogt het verkeerde type geluid, daadwerkelijk afnemende gevoeligheid.

Om deze beperking te overwinnen en minder ruis op alle frequenties te bereiken, een team bij NAOJ bestaande uit leden van het interne Gravitational Wave Science Project en de KAGRA-samenwerking (maar ook onderzoekers van de Virgo- en GEO-samenwerkingen) heeft onlangs de haalbaarheid aangetoond van een techniek die bekend staat als frequentieafhankelijk vacuüm knijpen op de frequenties bruikbaar voor zwaartekrachtgolfdetectoren. Omdat de detector zelf op verschillende manieren met de elektromagnetische velden in wisselwerking staat, afhankelijk van de frequentie, het team gebruikte de infrastructuur van de voormalige TAMA300-detector om een ​​veld te creëren dat zelf varieert afhankelijk van de frequentie. Een normaal (frequentie-onafhankelijk) samengedrukt vacuümveld wordt gereflecteerd door een optische holte van 300 meter lang, zodanig dat een frequentieafhankelijkheid wordt ingeprent en het in staat is om het optomechanische effect van de interferometer tegen te gaan.

Deze techniek zorgt voor een verbeterde gevoeligheid bij zowel hoge als lage frequenties tegelijk. Dit is een cruciaal resultaat dat een sleuteltechnologie aantoont om de gevoeligheid van toekomstige detectoren te verbeteren. de uitvoering ervan, gepland als een upgrade op korte termijn, samen met andere verbeteringen, zal naar verwachting het waarnemingsbereik van tweede generatie detectoren verdubbelen.

Deze resultaten zullen verschijnen als Zhao, J., et al. "Frequentie-afhankelijke geperste vacuümbron voor breedband kwantumruisreductie in geavanceerde zwaartekrachtgolfdetectoren" in Fysieke beoordelingsbrieven op 28 april, 2020. Een soortgelijk resultaat is verkregen door een groep in MIT met een filterholte van 16 m, en de twee papers zullen gezamenlijk worden gepubliceerd.