Stimuler les détecteurs d'ondes gravitationnelles avec des astuces quantiques

Anonim

Un groupe de scientifiques de l’Institut Niels Bohr (NBI) de l’Université de Copenhague va bientôt commencer à développer une nouvelle gamme d’équipements techniques afin d’améliorer considérablement les détecteurs d’ondes gravitationnelles.

Les détecteurs d'ondes gravitationnelles sont extrêmement sensibles et peuvent, par exemple, enregistrer des étoiles de neutrons en collision dans l'espace. Pourtant, une sensibilité encore plus grande est recherchée afin d’élargir nos connaissances sur l’Univers, et les scientifiques de l’IBB sont convaincus que leur équipement peut améliorer les détecteurs, déclare le professeur Eugene Polzik: «Et nous devrions être en mesure de démontrer trois ans."

Si les scientifiques de l'IBN sont en mesure d'améliorer les détecteurs d'ondes gravitationnelles de la manière la plus réaliste possible, les détecteurs pourront surveiller et effectuer des mesures dans un volume d'espace huit fois plus important que ce qui est actuellement possible. explique Eugene Polzik: "Cela représentera une extension vraiment importante."

Polzik est à la tête de Quantum Optics (Quantop) chez NBI et il dirigera le développement de l'équipement sur mesure pour les détecteurs d'ondes gravitationnelles. La recherche - qui est soutenue par l'UE, les projets du réseau Eureka et la fondation américaine John Templeton avec des subventions totalisant 10 millions de couronnes - sera réalisée dans le laboratoire d'Eugene Polzik à NBI.

Une collision bien remarquée

Les médias d'information du monde entier sont passés à la vitesse supérieure en octobre 2017 quand il a été confirmé qu'une grande équipe internationale de scientifiques avait effectivement mesuré la collision de deux étoiles à neutrons. un événement qui a eu lieu à 140 millions d'années-lumière de la Terre et a abouti à la formation d'un kilonova.

L'équipe internationale de scientifiques - qui comprenait également des experts du NBI - a pu confirmer la collision en mesurant les ondes gravitationnelles à partir des ondes spatiales dans le tissu même de l'espace-temps, se déplaçant à la vitesse de la lumière. Les ondes ont été enregistrées par trois détecteurs d'ondes gravitationnelles: les deux détecteurs LIGO basés aux États-Unis et le détecteur européen Virgo en Italie.

"Ces détecteurs d'ondes gravitationnelles représentent de loin l'équipement de mesure le plus sensible que l'homme ait encore fabriqué - les détecteurs ne sont pas aussi précis qu'ils pourraient l'être. Et c'est ce que nous comptons améliorer", explique le professeur Eugene Polzik.

Comment cela peut-il être fait est décrit dans un article que Eugene Polzik et un collègue, Farid Khalili de la collaboration LIGO et l'Université d'Etat de Moscou, ont récemment publié dans la revue scientifique Physical Review Letters. Et ce n'est pas simplement une proposition théorique, dit Eugene Polzik:

"Nous sommes convaincus que cela fonctionnera comme prévu. Nos calculs montrent que nous devrions pouvoir améliorer la précision des mesures effectuées par les détecteurs d’ondes gravitationnelles par un facteur deux. Et si nous réussissons, cela se traduira par une augmentation de un facteur de huit du volume dans l'espace que les détecteurs d'ondes gravitationnelles sont capables d'examiner à l'heure actuelle. "

Une petite cellule de verre

En juillet de l'année dernière, Eugene Polzik et son équipe de Quantop ont publié un article très remarqué dans Nature - et ce travail est en fait le fondement même de leur tentative à venir d'améliorer les détecteurs d'ondes gravitationnelles.

L'article de Nature était centré sur le «principe d'incertitude» de Heisenberg, qui dit fondamentalement que vous ne pouvez pas connaître simultanément la position exacte et la vitesse exacte d'un objet.

Cela est dû au fait que les observations effectuées en faisant briller la lumière sur un objet conduiront inévitablement à ce que l'objet soit «frappé» dans des directions aléatoires par des photons, des particules de lumière. Ce phénomène est connu sous le nom d'Action Quantique Dos (QBA) et ces mouvements aléatoires limitent la précision avec laquelle les mesures peuvent être effectuées au niveau quantique.

L'article paru dans Nature à l'été 2017 a fait la une des journaux parce qu'Eugene Polzik et son équipe ont été en mesure de montrer que, dans une large mesure, il est possible de neutraliser l'AQ.

Et la QBA est la raison même pour laquelle les détecteurs d'ondes gravitationnelles - qui fonctionnent également avec la lumière, à savoir la lumière laser - ne sont pas aussi précis qu'ils pourraient l'être », déclare le professeur Polzik.

En d'autres termes, il est possible de neutraliser les QBA si la lumière utilisée pour observer un objet est initialement envoyée à travers un «filtre». C'est ce que décrit l'article de Nature - et le «filtre» développé par les scientifiques NBI de Quantop. décrit consistait en un nuage de 100 millions d'atomes de césium enfermés dans une cellule de verre hermétiquement fermée d'un centimètre de long, 1/3 de millimètre de haut et 1/3 de millimètre de large.

Le principe de ce «filtre» est exactement ce que Polzik et son équipe ont l'intention d'intégrer dans les détecteurs d'ondes gravitationnelles.

En théorie, on peut optimiser les mesures des ondes gravitationnelles en passant à une lumière laser plus forte que celle des détecteurs en Europe et aux États-Unis. Selon Eugene Polzik, selon la mécanique quantique, ce n’est pas une option:

"Le passage à une lumière laser plus puissante ne fera que secouer davantage de miroirs dans les détecteurs, car l’action Back Quantum sera provoquée par un plus grand nombre de photons.

Au lieu de cela, les scientifiques NBI ont élaboré un plan basé sur le «filtre» atomique qu'ils ont démontré dans l'article de Nature: ils enverront la lumière laser par laquelle les détecteurs d'ondes gravitationnelles fonctionneront à travers une version sur mesure de la cellule. "Et nous espérons qu’elle fera le travail", dit Eugene Polzik.

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