Junto con sus colegas Virgo, los investigadores de AEI Harald Lück, Moritz Mehmet, y Henning Vahlbruch instalan la fuente de luz comprimida, que se desarrolló en Hannover, en una sala limpia en el detector de ondas gravitacionales Virgo. Crédito:H. Lück / B. Instituto Knispel / Max Planck de Física Gravitacional
La mecánica cuántica no solo describe cómo funciona el mundo en sus escalas más pequeñas, pero también afecta el movimiento de objetos macroscópicos. Un equipo de investigación internacional, incluidos cuatro científicos del MPI de Física Gravitacional (Albert-Einstein-Institut / AEI) y la Universidad de Leibniz en Hannover, Alemania, ha demostrado cómo pueden influir en el movimiento de los espejos, cada uno con un peso de más de 40 kg, en el detector de ondas gravitacionales Advanced Virgo a través del uso deliberado de la mecánica cuántica. En el núcleo de su experimento publicado hoy en Cartas de revisión física es una fuente de luz comprimida, desarrollado y construido en el AEI en Hannover, que genera radiación láser especialmente sintonizada y mejora la sensibilidad de medición del detector durante las ejecuciones de observación.
El mundo de la mecánica cuántica de probabilidades e incertidumbres también gobierna el comportamiento de los detectores de ondas gravitacionales del tamaño de un kilómetro Advanced LIGO, Virgo avanzado, y GEO600. La sensibilidad de estos instrumentos de alta precisión a las ondas gravitacionales, causada, por ejemplo, por fusiones distantes de agujeros negros, actualmente está limitado por el ruido de fondo de la mecánica cuántica.
La incertidumbre de Heisenberg limita los detectores
En los detectores La luz láser se utiliza para medir con la máxima precisión la posición relativa de los espejos a kilómetros de distancia. Incluso en ausencia de señales de ondas gravitacionales o fuentes de ruido, estas medidas de la posición del espejo mostrarían una ligera fluctuación.
La razón de esto es el principio de incertidumbre de Heisenberg. Según esta piedra angular de la mecánica cuántica, las mediciones simultáneas de dos cantidades relacionadas son imposibles con precisión arbitraria; están borrosos, o incierto. Sin embargo, la inexactitud de medición de una de las dos cantidades puede reducirse, pero solo a expensas de una mayor inexactitud al medir la otra cantidad.
En los detectores de ondas gravitacionales, el ruido de disparo, el golpeteo de las partículas de luz que llegan de manera aleatoria e irregular, generalmente se reduce. Este truco es necesario porque este ruido de fondo de la mecánica cuántica limita la sensibilidad de los detectores a altas frecuencias de medición con las que escuchan el cosmos.
No existe tal cosa como un almuerzo gratis
Según la relación de incertidumbre, sin embargo, el ruido de disparo reducido da como resultado un aumento de ruido de presión de radiación:la fuerza con la que la corriente de partículas de luz empuja los espejos fluctúa con más fuerza. Como resultado, los espejos se mueven más adelante y atrás, simplemente por los efectos de la mecánica cuántica.
"No existe tal cosa como un almuerzo gratis:si reduce el ruido de fondo de la mecánica cuántica a altas frecuencias utilizando fuentes de luz exprimida actuales, pagas un precio. Y este precio es un aumento del ruido cuántico y, por lo tanto, una reducción de la precisión de la medición a frecuencias más bajas, "explica Moritz Mehmet, investigador del AEI Hannover.
Vista del edificio central GEO600 donde se están desarrollando y probando muchas de las tecnologías avanzadas de detectores. Crédito:H. Grote (Instituto Albert Einstein de Hannover)
Se mueven espejos masivos
Hasta ahora, otras fuentes de ruido técnico han ocultado este aumento del ruido de presión de radiación en los detectores de ondas gravitacionales. Solo ahora, durante la tercera ejecución de observación de Advanced LIGO y Advanced Virgo (abril de 2019 a marzo de 2020), esta detección se ha convertido en una posibilidad mediante el uso de fuentes de luz comprimida y la reducción de otras fuentes de ruido.
"Si utilizamos luz especialmente exprimida, vemos claramente una fluctuación adicional de los espejos de 42 kilogramos en el detector Advanced Virgo —objetos realmente macroscópicos— a bajas frecuencias. Esto se debe a los efectos de la mecánica cuántica, "dice Henning Vahlbruch, investigador del AEI Hannover.
Esta nueva medida solo es posible porque los investigadores pueden determinar las fluctuaciones de las posiciones del espejo a menos de una milésima parte de un diámetro de protón. Las mediciones anteriores de este efecto en experimentos de laboratorio utilizaron masas que eran 10 millones de veces más ligeras que los espejos de Virgo Avanzado.
Pionero de la luz exprimida GEO600
Desde 2010, el detector alemán-británico GEO600 ha estado utilizando una fuente de luz comprimida. GEO600 juega un papel pionero en este campo. En la tercera serie de observación conjunta (abril de 2019 hasta finales de marzo de 2020), los dos detectores Advanced LIGO y el detector Advanced Virgo también usaban luz comprimida. En el instrumento Virgo avanzado, se está utilizando una fuente de luz comprimida desarrollada y construida en el AEI Hannover basada en el diseño probado en GEO600.
En el futuro, Las fuentes de luz comprimida deberán modificarse para aumentar aún más la sensibilidad de los detectores de ondas gravitacionales. La radiación láser cuidadosamente ajustada que generan ya no debe ser la misma en todas las frecuencias. Sus propiedades deben ajustarse para que reduzca el ruido mecánico cuántico tanto en frecuencias altas como bajas. El desarrollo de esta compresión dependiente de la frecuencia ya está en marcha en la comunidad mundial de investigadores de ondas gravitacionales, incluido GEO600. Dos grupos han mostrado las primeras demostraciones experimentales exitosas en la primavera de 2020.
