Gravitationswellendetektoren mit Quantentricks verstärken

Anonim

Eine Gruppe von Wissenschaftlern des Niels-Bohr-Instituts (NBI) an der Universität Kopenhagen wird bald mit der Entwicklung einer neuen technischen Ausrüstung beginnen, um die Gravitationswellendetektoren erheblich zu verbessern.

Gravitationswellendetektoren sind äußerst empfindlich und können zB kollidierende Neutronensterne im Weltraum registrieren. Um unser Wissen über das Universum zu erweitern, wird eine noch höhere Sensitivität angestrebt, und die NBI-Wissenschaftler sind davon überzeugt, dass ihre Geräte die Detektoren verbessern können, sagt Professor Eugene Polzik: "Und wir sollten in der Lage sein, den Konzeptnachweis in etwa nachzuweisen 3 Jahre."

Wenn die NBI-Wissenschaftler in der Lage sind, die Gravitationswellendetektoren so weit zu verbessern, wie es "realistischerweise erwartet werden kann", können die Detektoren Messungen in einem achtmal größeren Raumvolumen als bisher möglich überwachen und durchführen, erklärt Eugene Polzik: "Dies wird eine wirklich bedeutende Erweiterung darstellen."

Polzik ist Leiter der Quantenoptik (Quantop) bei NBI und wird die Entwicklung der maßgeschneiderten Ausrüstung für Gravitationswellendetektoren vorantreiben. Die Forschung, die von der EU, den Eureka Network Projects und der John Templeton Foundation in den USA mit 10 Millionen DKK unterstützt wird, wird im Labor von Eugene Polzik am NBI durchgeführt.

Eine Kollision ist gut bemerkt worden

Die Nachrichtenmedien auf der ganzen Welt wechselten im Oktober 2017, als bestätigt wurde, dass ein großes internationales Team von Wissenschaftlern tatsächlich die Kollision zweier Neutronensterne gemessen hatte; ein Ereignis, das 140 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt stattfand und zur Bildung einer Kilonova führte.

Das internationale Team von Wissenschaftlern - zu dem auch Experten von NBI gehörten - konnte die Kollision bestätigen, indem es Gravitationswellen aus Weltraumwellen im Gewebe der Raumzeit selbst mit Lichtgeschwindigkeit messen konnte. Die Wellen wurden von drei Gravitationswellendetektoren registriert: den beiden US-amerikanischen LIGO-Detektoren und dem europäischen Virgo-Detektor in Italien.

"Diese Gravitationswellendetektoren stellen bei weitem die empfindlichsten Messgeräte dar, die der Mensch bisher hergestellt hat - die Detektoren sind immer noch nicht so genau, wie sie nur sein könnten. Und das wollen wir verbessern", sagt Professor Eugene Polzik.

Wie dies geschehen kann, wird in einem Artikel beschrieben, den Eugene Polzik und ein Kollege, Farid Khalili von der LIGO-Kollaboration und der Moskauer Staatlichen Universität, kürzlich in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht haben. Und das ist nicht nur ein theoretischer Vorschlag, sagt Eugene Polzik:

"Wir sind davon überzeugt, dass dies wie vorgesehen funktionieren wird. Unsere Berechnungen zeigen, dass wir die Genauigkeit der Messungen der Gravitationswellendetektoren um den Faktor zwei verbessern könnten ein Achtel des Volumens im Raum, das Gravitationswellendetektoren zur Zeit untersuchen können. "

Eine kleine Glaszelle

Im Juli letzten Jahres veröffentlichten Eugene Polzik und sein Team bei Quantop einen hoch beachteten Artikel in Nature - und diese Arbeit ist eigentlich die Grundlage ihres bevorstehenden Versuchs, die Gravitationswellendetektoren zu verbessern.

Der Artikel in Nature drehte sich um Heisenbergs Unschärferelation, die im Grunde sagt, dass man nicht gleichzeitig die genaue Position und die genaue Geschwindigkeit eines Objekts kennen kann.

Dies hat damit zu tun, dass Beobachtungen, die durch das Aufleuchten von Licht auf ein Objekt durchgeführt werden, zwangsläufig dazu führen, dass das Objekt von Photonen, Lichtteilchen, in zufällige Richtungen "getreten" wird. Dieses Phänomen ist als Quantum Back Action (QBA) bekannt und diese zufälligen Bewegungen begrenzen die Genauigkeit, mit der Messungen auf Quantenebene durchgeführt werden können.

Der Artikel in Nature im Sommer 2017 sorgte für Schlagzeilen, weil Eugene Polzik und sein Team zeigen konnten, dass es in hohem Maße möglich ist, QBA zu neutralisieren.

Und QBA ist der Grund dafür, dass Gravitationswellendetektoren, die auch mit Licht arbeiten, nämlich Laserlicht, nicht so genau sind, wie sie nur sein könnten ", sagt Professor Polzik.

Vereinfacht gesagt, ist es möglich, QBA zu neutralisieren, wenn das Licht, das zur Beobachtung eines Objekts verwendet wird, zunächst durch einen Filter geschickt wird. Das hat der Artikel in Nature beschrieben - und den "Filter", den die NBI-Wissenschaftler bei Quantop entwickelt und entwickelt haben beschrieben bestand aus einer Wolke von 100 Millionen Caesiumatomen, die in einer hermetisch geschlossenen Glaszelle eingeschlossen waren, die nur einen Zentimeter lang, 1/3 Millimeter hoch und 1/3 Millimeter breit war.

Das Prinzip dieses "Filters" ist genau das, was Polzik und sein Team in Gravitationswellendetektoren einbauen wollen.

Theoretisch kann man Messungen der Gravitationswellen optimieren, indem man auf stärkeres Laserlicht umschaltet als die Detektoren, mit denen sowohl in Europa als auch in den USA gearbeitet wird. Laut der Quantenmechanik ist das jedoch keine Option, sagt Eugene Polzik:

"Der Wechsel zu stärkerem Laserlicht würde dazu führen, dass ein Satz Spiegel in den Detektoren stärker wackelt, weil Quantum Back Action durch mehr Photonen verursacht wird. Diese Spiegel sind absolut entscheidend, und wenn sie anfangen zu zittern, erhöht das tatsächlich die Ungenauigkeit."

Stattdessen haben die NBI-Wissenschaftler einen Plan entwickelt, der auf dem atomaren "Filter" basiert, den sie im Nature-Artikel zeigten: Sie senden das Laserlicht, mit dem die Gravitationswellendetektoren durch eine maßgeschneiderte Version der Zelle arbeiten eingesperrte Atome, sagt Eugene Polzik: "Und wir hoffen, dass es den Job macht."

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