Forskare vid National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) har använt infrastrukturen för den tidigare gravitationsvågsdetektorn TAMA300 i Mitaka, Tokyo, att demonstrera en ny teknik för att minska kvantbrus i detektorer. Denna nya teknik kommer att öka känsligheten hos detektorerna som består av ett globalt samverkande nätverk för gravitationsvågor, så att de kan observera svagare vågor.

När det började observationer år 2000, TAMA300 var en av världens första storskaliga interferometriska gravitationsvågsdetektorer. På den tiden hade TAMA300 den högsta känsligheten i världen, inställning av en övre gräns för styrkan hos gravitationsvågsignaler; men den första upptäckten av faktiska gravitationsvågor gjordes 15 år senare 2015 av LIGO. Sedan dess, detektortekniken har förbättrats till den grad att moderna detektorer observerar flera signaler per månad. De vetenskapliga resultaten som erhållits från dessa observationer är redan imponerande, och många fler väntas under de kommande decennierna. TAMA300 deltar inte längre i observationer, men används fortfarande som testbädd för ny teknik för att förbättra andra detektorer.

Känsligheten hos nuvarande och framtida gravitationsvågsdetektorer begränsas vid nästan alla frekvenser av kvantbrus orsakat av effekterna av vakuumfluktuationer i de elektromagnetiska fälten. Men även detta inneboende kvantbrus kan kringgås. Det är möjligt att manipulera vakuumfluktuationerna för att omfördela kvantosäkerheterna, minska en typ av buller på bekostnad av att öka en annan, mindre obstruktiv typ av ljud. Denna teknik, känd som vakuumklämning, har redan implementerats i gravitationsvågsdetektorer, avsevärt öka deras känslighet för högfrekventa gravitationsvågor. Men den optomekaniska interaktionen mellan det elektromagnetiska fältet och detektorns speglar gör att effekten av vakuumklämning förändras beroende på frekvensen. Så vid låga frekvenser, vakuumklämning ökar fel typ av ljud, faktiskt förnedrande känslighet.

För att övervinna denna begränsning och uppnå minskat brus vid alla frekvenser, ett team vid NAOJ bestående av medlemmar av det interna Gravitational Wave Science Project och KAGRA-samarbetet (men även inklusive forskare från Jungfru- och GEO-samarbeten) har nyligen visat genomförbarheten av en teknik som kallas frekvensberoende vakuumklämning vid frekvenserna användbar för gravitationsvågsdetektorer. Eftersom själva detektorn interagerar med de elektromagnetiska fälten olika beroende på frekvensen, teamet använde infrastrukturen för den tidigare TAMA300-detektorn för att skapa ett fält som i sig varierar beroende på frekvens. Ett normalt (frekvensoberoende) sammanpressat vakuumfält reflekteras i en optisk hålighet 300 meter lång, så att ett frekvensberoende präglas och det kan motverka den optomekaniska effekten av interferometern.

Denna teknik kommer att möjliggöra förbättrad känslighet vid både höga och låga frekvenser samtidigt. Detta är ett avgörande resultat som visar en nyckelteknologi för att förbättra känsligheten hos framtida detektorer. Dess genomförande, planerad som en uppgradering på kort sikt, tillsammans med andra förbättringar, förväntas fördubbla observationsområdet för andra generationens detektorer.

Dessa resultat kommer att visas som Zhao, Y., et al. "Frekvensberoende pressad vakuumkälla för bredbandsreducering av kvantbrus i avancerade gravitationsvågsdetektorer" i Fysiska granskningsbrev den 28 april, 2020. Ett liknande resultat har erhållits av en grupp i MIT som använder en 16-m filterhålighet, och de två tidningarna kommer att publiceras gemensamt.