Sinds de historische vondst van zwaartekrachtsgolven van twee zwarte gaten die op een afstand van meer dan een miljard lichtjaar met elkaar botsen, werd gedaan in 2015, natuurkundigen vergroten de kennis over de limieten van de precisie van de metingen die zullen helpen bij het verbeteren van de volgende generatie gereedschappen en technologie die wordt gebruikt door zwaartekrachtgolfwetenschappers.

LSU Department of Physics &Astronomy Universitair hoofddocent Thomas Corbitt en zijn team van onderzoekers presenteren nu de eerste breedband, off-resonantiemeting van kwantumstralingsdrukruis in de audioband, bij frequenties die relevant zijn voor zwaartekrachtgolfdetectoren, zoals vandaag gerapporteerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuur . Het onderzoek werd ondersteund door de National Science Foundation, of NSF, en de resultaten wijzen op methoden om de gevoeligheid van zwaartekrachtgolfdetectoren te verbeteren door technieken te ontwikkelen om de onnauwkeurigheid in metingen die "back action" worden genoemd, te verminderen. " waardoor de kans op het detecteren van zwaartekrachtsgolven groter wordt.

Corbitt en onderzoekers hebben fysieke apparaten ontwikkeld die het mogelijk maken om kwantumeffecten bij kamertemperatuur waar te nemen en te horen. Het is vaak gemakkelijker om kwantumeffecten te meten bij zeer lage temperaturen, terwijl deze benadering hen dichter bij de menselijke ervaring brengt. Gehuisvest in miniatuurmodellen van detectoren zoals LIGO, of de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, gevestigd in Livingston, La., en Hanford, Wassen., deze apparaten bestaan ​​uit low-loss, eenkristal micro-resonatoren - elk een klein spiegelkussentje ter grootte van een speldenprik, opgehangen aan een uitkraging. Een laserstraal wordt op een van deze spiegels gericht, en terwijl de straal wordt gereflecteerd, de fluctuerende stralingsdruk is voldoende om de vrijdragende structuur te buigen, waardoor het spiegelkussen trilt, wat voor geluid zorgt.

Gravitatiegolfinterferometers gebruiken zoveel mogelijk laservermogen om de onzekerheid veroorzaakt door de meting van discrete fotonen te minimaliseren en de signaal-ruisverhouding te maximaliseren. Deze bundels met een hoger vermogen verhogen de nauwkeurigheid van de positie, maar verhogen ook de achterwaartse actie, dat is de onzekerheid in het aantal fotonen dat door een spiegel wordt gereflecteerd, wat overeenkomt met een fluctuerende kracht als gevolg van stralingsdruk op de spiegel, mechanische beweging veroorzaken. Andere soorten lawaai, zoals thermische ruis, domineren meestal over kwantumstralingsdrukgeluid, maar Corbitt en zijn team, waaronder medewerkers bij MIT en Crystalline Mirror Solutions, heb ze doorzocht. Geavanceerde LIGO en andere tweede en derde generatie interferometers zullen worden beperkt door kwantumstralingsdrukruis bij lage frequenties wanneer ze op hun volledige laservermogen werken. Corbitt's paper in Natuur geeft aanwijzingen hoe onderzoekers dit kunnen omzeilen bij het meten van zwaartekrachtsgolven.

"Gezien de noodzaak voor gevoeligere zwaartekrachtgolfdetectoren, het is belangrijk om de effecten van kwantumstralingsdrukruis te bestuderen in een systeem vergelijkbaar met Advanced LIGO, die zal worden beperkt door kwantumstralingsdrukruis over een breed frequentiebereik ver van de mechanische resonantiefrequentie van de testmassaophanging, ' zei Corbitt.

Corbitt's voormalig academisch adviseur en hoofdauteur van de Natuur papier, Jonathan Cripe, afgestudeerd aan LSU met een Ph.D. in de natuurkunde vorig jaar en is nu een postdoctoraal onderzoeker aan het National Institute of Standards and Technology:

"Dagelijks bij LSU, terwijl ik het achtergrondwerk deed van het ontwerpen van dit experiment en de microspiegels en het plaatsen van alle optica op tafel, Ik heb niet echt nagedacht over de impact van de toekomstige resultaten, "Zei Cripe. "Ik concentreerde me enkel op elke individuele stap en nam dingen één dag tegelijk. [Maar] nu we het experiment hebben voltooid, het is echt verbazingwekkend om een ​​stap terug te doen en na te denken over het feit dat de kwantummechanica - iets dat buitenaards lijkt en verwijderd is van de dagelijkse menselijke ervaring - de belangrijkste aanjager is van de beweging van een spiegel die zichtbaar is voor het menselijk oog. Het kwantumvacuüm, of 'niets, ' kan een effect hebben op iets dat je kunt zien."

Pedro Marronetti, een natuurkundige en NSF programmadirecteur, merkt op dat het lastig kan zijn om nieuwe ideeën te testen voor het verbeteren van zwaartekrachtgolfdetectoren, vooral bij het verminderen van ruis die alleen kan worden gemeten in een interferometer op volledige schaal:

"Deze doorbraak opent nieuwe mogelijkheden voor het testen van ruisonderdrukking, " zei hij. De relatieve eenvoud van de aanpak maakt het toegankelijk voor een breed scala aan onderzoeksgroepen, mogelijk toenemende deelname van de bredere wetenschappelijke gemeenschap aan zwaartekrachtsgolfastrofysica."