Incertitude dans le monde quantique
Chaque installation LIGO se compose de deux bras de 4 kilomètres de long reliés pour former une forme en « L ». Les faisceaux laser parcourent chaque bras, frappent les miroirs géants suspendus, puis reviennent à leur point de départ. Lorsque les ondes gravitationnelles balayent la Terre, elles provoquent l’étirement et la compression des bras de LIGO, Désynchronisez les lasers. Cela provoque une interférence spécifique entre la lumière des deux faisceaux et la présence d’ondes gravitationnelles.
Cependant, le bruit quantique caché à l’intérieur des tubes à vide entourant les lasers de LIGO peut modifier très légèrement la synchronisation des photons dans les faisceaux. McCuller compare cette incertitude de la lumière laser à une boîte de billes. « Imaginez jeter une canette pleine de BB. Ils touchent tous le sol, cliquent et émettent un bip indépendamment. Les BB touchent le sol de manière aléatoire, ce qui crée du bruit. Les photons lumineux sont comme les BB et ils frappent les miroirs LIGO à des moments irréguliers », a-t-il déclaré. dans une interview avec Caltech.
Les techniques de compression développées depuis 2019 permettent « aux photons d’arriver de manière plus uniforme, comme si les photons étaient intriqués plutôt que de voyager indépendamment », a déclaré McCuller. L’idée est de rendre la fréquence ou le timing de la lumière plus sûr et l’amplitude ou l’énergie moins certaines afin de réduire les effets des photons de type BB. Ceci est réalisé à l’aide de cristaux spécialisés qui convertissent essentiellement un seul photon en une paire de deux photons. EnchevêtréOu des photons connectés de moindre énergie. Les cristaux ne compriment pas directement la lumière des lasers LIGO ; Au lieu de cela, il comprime la lumière parasite dans le vide des tubes LIGO, et cette lumière interagit avec les faisceaux laser pour comprimer indirectement la lumière laser.
« C’est la nature quantique de la lumière qui crée le problème, mais la physique quantique nous donne également la solution », explique Barsotti.
Une idée qui a commencé il y a des décennies
Le concept de pression lui-même remonte à la fin des années 1970, à partir des études théoriques menées par le regretté physicien russe Vladimir Braginsky ; Kip Thorne du California Institute of Technology, Richard P. Prix Feynman de physique théorique, émérite ; et Carlton Caves, ancien chercheur à Caltech et maintenant à l’Université du Nouveau-Mexique. Les chercheurs réfléchissaient aux limites des mesures et des communications quantiques, et ces travaux ont inspiré l’une des premières démonstrations expérimentales de compression en 1986 par H. Jeff Kimball, professeur émérite de physique à Caltech. Kimble a comparé la lumière compacte à un concombre. « La certitude des mesures de lumière est limitée à une seule tendance ou caractéristique, transformant le ‘chou quantique en choix quantique' », a-t-il écrit dans un article. Article sur Caltech Architecture Revue en 1993.
En 2002, les chercheurs ont commencé à réfléchir à la manière de compresser la lumière dans les détecteurs LIGO et, en 2008, la première démonstration de cette technologie a été réalisée dans une installation d’essai de 40 mètres du California Institute of Technology. En 2010, des chercheurs du MIT ont développé un prototype de presse-agrumes LIGO et l’ont testé sur le site LIGO de Hanford. Des travaux parallèles menés sur le détecteur GEO600 en Allemagne ont également convaincu les chercheurs que la compression pouvait fonctionner. Neuf ans plus tard, en 2019, après de nombreuses expériences et un travail d’équipe minutieux, LIGO a commencé à compresser la lumière pour la première fois.
«Nous avons traversé de nombreux problèmes», explique Sheila Dwyer, qui travaille sur le projet depuis 2008, d’abord en tant qu’étudiante diplômée au MIT, puis en tant que scientifique au LIGO Hanford à partir de 2013. « À la fin des années 1970, mais il a fallu des décennies pour y parvenir. »
Trop de bonnes choses
Cependant, comme mentionné précédemment, la pression entraîne un compromis. En déplaçant le bruit quantique en dehors du timing ou de la fréquence de la lumière laser, les chercheurs ont introduit le bruit dans l’amplitude ou la puissance de la lumière laser. Les lasers les plus puissants poussent ensuite les lourds miroirs de LIGO, provoquant un bruit indésirable correspondant aux fréquences inférieures des ondes gravitationnelles. Ces sons masquent la capacité des détecteurs à détecter les ondes gravitationnelles basse fréquence.
« Même si nous faisons pression pour mettre de l’ordre dans notre système et réduire le chaos, cela ne signifie pas que nous gagnons partout », déclare Dhruva Ganapathy, étudiante diplômée au MIT et l’un des quatre co-auteurs de la nouvelle étude. . « Nous adhérons toujours aux lois de la physique. » Les trois autres auteurs de l’étude sont Wenxuan Jia, étudiant diplômé du MIT, Masayuki Nakano, chercheur postdoctoral au LIGO Livingstone, et Victoria Xu, chercheuse postdoctorale au MIT.
Malheureusement, ce rugissement ennuyeux devient un problème plus grave lorsque l’équipe LIGO augmente la puissance de ses lasers. « La compression et l’augmentation de l’énergie améliorent la précision de notre détection quantique au point où nous ne sommes plus affectés par l’incertitude quantique », explique McCuller. « Les deux provoquent davantage de poussées de photons, ce qui provoque le grondement des miroirs. La puissance du laser ajoute simplement plus de photons, tandis que la pression les rend plus regroupés et donc grondements. »
la victoire
La solution consiste à comprimer la lumière d’une manière pour les ondes gravitationnelles à haute fréquence et d’une autre pour les fréquences plus basses. C’est comme faire des allers-retours entre appuyer sur le ballon par le haut, le bas et les côtés.
Ceci est réalisé grâce à la nouvelle cavité de compression dépendante de la fréquence de LIGO, qui contrôle les phases relatives des ondes lumineuses de manière à permettre aux chercheurs de transférer sélectivement le bruit quantique à différentes caractéristiques de la lumière (phase ou amplitude) en fonction de la plage de fréquences de la lumière. . Ondes gravitationnelles.
« Il est vrai que nous faisons ce truc quantique vraiment cool, mais la vraie raison est que c’est le moyen le plus simple d’améliorer la sensibilité du LIGO », explique Ganapathy. « Sinon, nous devrions étendre le laser, ce qui présente ses propres problèmes, ou augmenter considérablement la taille des miroirs, ce qui serait coûteux. »
Le partenaire de LIGO, Virgo, utilisera également probablement une technologie de compression basée sur la fréquence au cours de l’exécution en cours, qui durera jusqu’à la fin 2024 environ. Explorateur cosmiqueVous profiterez également des avantages de l’éclairage compact.
Grâce à sa nouvelle cavité de pointe dépendante de la fréquence, LIGO peut désormais détecter davantage de collisions de trous noirs et d’étoiles à neutrons. Ganapathy se dit très enthousiaste à l’idée de capturer davantage de collisions d’étoiles à neutrons. « Avec davantage de découvertes, nous pourrons observer les étoiles à neutrons se déchirer et en apprendre davantage sur ce qu’elles contiennent. »
« Nous avons finalement exploité notre propre monde de gravité », déclare Barsotti. « À l’avenir, nous pourrons améliorer encore plus notre sensibilité. J’aimerais voir jusqu’où nous pouvons pousser cela. »
le Examen physique L’étude s’intitule « Amélioration quantique à large bande des détecteurs LIGO grâce à une compression dépendant de la fréquence ». Plusieurs autres chercheurs ont contribué au développement des travaux sur la pression et la cavitation dépendant de la fréquence, notamment Mike Zucker du MIT et Jarrilyn Billingsley de Caltech, responsables des mises à niveau « Advanced LIGO Plus » qui incluent la cavitation sous pression dépendant de la fréquence ; Daniel Sage de LIGO Hanford ; Adam Mulavey du laboratoire LIGO Livingstone ; et la collection David McClelland de l’Université nationale australienne.
La collaboration LIGO-Virgo-KAGRA exploite un réseau de détecteurs d’ondes gravitationnelles aux États-Unis, en Italie et au Japon. Le laboratoire LIGO est exploité par le California Institute of Technology et le Massachusetts Institute of Technology et est financé par la NSF avec des contributions aux détecteurs LIGO avancés d’Allemagne (Max Planck Society), du Royaume-Uni (Science and Technology Facilities Council) et Australie (Conseil australien de la recherche). Virgo est géré par l’Observatoire gravitationnel européen (EGO) et financé par le Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) en France, l’Institut National de Physique Nucléaire (INFN) en Italie et l’Institut National de Physique Subatomique (Nikhef). Aux Pays-Bas. KAGRA est hébergé par l’Institut de recherche sur les rayons cosmiques (ICRR) de l’Université de Tokyo et co-hébergé par l’Observatoire astronomique national du Japon (NAOJ) et l’Organisation de recherche sur les accélérateurs de haute énergie (KEK).
