Lytte til kvantevakuumet:Fysikere måler kvante -back -handling i lydbåndet ved stuetemperatur

Siden det historiske fund af gravitationsbølger fra to sorte huller, der kolliderede over en milliard lysår væk, blev fundet i 2015, fysikere fremmer viden om grænserne for målingernes præcision, der vil hjælpe med at forbedre den næste generation af værktøjer og teknologi, der bruges af gravitationsbølgeforskere.

LSU Institut for Fysik &Astronomi Lektor Thomas Corbitt og hans team af forskere præsenterer nu det første bredbånd, off-resonansmåling af kvantestrålingstrykstøj i lydbåndet, ved frekvenser, der er relevante for gravitationsbølgedetektorer som rapporteret i dag i det videnskabelige tidsskrift Natur . Forskningen blev støttet af National Science Foundation, eller NSF, og resultaterne antyder metoder til at forbedre følsomheden af ​​gravitationsbølgedetektorer ved at udvikle teknikker til at afbøde upræcisionen i målinger kaldet "back action, "og dermed øge chancerne for at opdage gravitationsbølger.

Corbitt og forskere har udviklet fysiske apparater, der gør det muligt at observere - og høre - kvanteeffekter ved stuetemperatur. Det er ofte lettere at måle kvanteeffekter ved meget kolde temperaturer, mens denne tilgang bringer dem tættere på menneskelig erfaring. Indbygget i miniaturemodeller af detektorer som LIGO, eller Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, beliggende i Livingston, La., og Hanford, Vask., disse enheder består af lavt tab, enkeltkrystal mikro-resonatorer-hver en lille spejlpude på størrelse med et nålestik, suspenderet fra en cantilever. En laserstråle er rettet mod et af disse spejle, og som strålen reflekteres, det svingende strålingstryk er nok til at bøje cantilever -strukturen, får spejlpuden til at vibrere, som skaber støj.

Gravitationsbølgeinterferometre bruger så meget lasereffekt som muligt for at minimere usikkerheden forårsaget af målingen af ​​diskrete fotoner og for at maksimere signal-støjforholdet. Disse højere effektstråler øger positionsnøjagtigheden, men øger også rygvirkningen, hvilket er usikkerheden i antallet af fotoner, der reflekterer fra et spejl, der svarer til en svingende kraft på grund af strålingstryk på spejlet, forårsager mekanisk bevægelse. Andre former for støj, såsom termisk støj, dominerer normalt over kvantestrålingstrykstøj, men Corbitt og hans team, herunder samarbejdspartnere på MIT og Crystalline Mirror Solutions, har sorteret dem igennem. Avanceret LIGO og andre anden og tredje generations interferometre vil blive begrænset af kvantestrålingstrykstøj ved lave frekvenser, når de kører med deres fulde lasereffekt. Corbitts papir i Natur giver fingerpeg om, hvordan forskere kan omgå dette, når de måler gravitationsbølger.

"I betragtning af nødvendigheden af ​​mere følsomme gravitationsbølgedetektorer, det er vigtigt at studere virkningerne af kvantestrålingstrykstøj i et system, der ligner Advanced LIGO, som vil blive begrænset af kvantestrålingstrykstøj på tværs af et bredt frekvensområde langt fra den mekaniske resonansfrekvens for testmassesuspensionen, "Sagde Corbitt.

Corbitts tidligere akademiske rådgiver og hovedforfatter af Natur papir, Jonathan Cripe, uddannet fra LSU med en ph.d. i fysik sidste år og er nu postdoktor ved National Institute of Standards and Technology:

"Dag til dag på LSU, da jeg lavede baggrundsarbejdet med at designe dette eksperiment og mikrospejlene og placere al optikken på bordet, Jeg tænkte ikke rigtig over virkningen af ​​de fremtidige resultater, "Cripe sagde." Jeg fokuserede bare på hvert enkelt trin og tog tingene en dag ad gangen. [Men] nu hvor vi har afsluttet forsøget, det er virkelig fantastisk at træde tilbage og tænke over det faktum, at kvantemekanik - noget der virker overjordisk og fjernet fra den daglige menneskelige oplevelse - er den vigtigste drivkraft for bevægelsen af ​​et spejl, der er synligt for det menneskelige øje. Kvantevakuumet, eller 'ingenting 'kan have en effekt på noget, du kan se. "

Pedro Marronetti, en fysiker og NSF -programdirektør, bemærker, at det kan være vanskeligt at teste nye ideer til forbedring af gravitationsbølgedetektorer, især ved reduktion af støj, der kun kan måles i et interferometer i fuld skala:

"Dette gennembrud åbner nye muligheder for at teste støjreduktion, "sagde han. Den relative enkelhed i tilgangen gør den tilgængelig for en lang række forskergrupper, potentielt stigende deltagelse fra det bredere videnskabelige samfund i gravitationsbølgeastrofysik. "