UR: un diseño de detector de ondas gravitacionales más pequeño y sensible

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Scott Macy

Universidad de California, Los Ángeles (UCLA)

Scott C. Mackie es un estudiante de último año en astrofísica en la Universidad de California con interés en instrumentación. Este trabajo es una continuación del Proyecto de Verano REU en el Centro de Exploración e Investigación Interdisciplinaria en Astrofísica de la Universidad Northwestern con el profesor Salim Shahryar. El proyecto se presentó como póster en la 237ª reunión de la Sociedad Astronómica Estadounidense.

Las observaciones actuales de ondas gravitacionales dependen de: Interferómetros Mickelson Como los que se utilizan en los detectores LIGO o VIRGO. Estos consisten en láseres de varios kilómetros de longitud que interfieren cuando el espacio se expande o contrae por las ondas gravitacionales incidentes. Además de los costos significativos y otros desafíos asociados con los detectores de edificios a una escala de miles de metros, otro inconveniente es que sus mediciones tienen una precisión limitada debido al ruido cuántico fundamental. Para resolver problemas de volumen y ruido, exploramos el uso de un detector de ondas gravitacionales basado en el uso de los llamados El láser ultrabrillante. Estos láseres deben su nombre al hecho de que la velocidad de su grupo es más rápida que la velocidad nominal de la luz. Como resultado, exhiben una dispersión negativa durante la propagación y, por lo tanto, tienen una relación hipersensible entre su frecuencia y la longitud del lumen por el que viajan. Cuando una onda gravitacional entrante hace que el espacio se expanda o contraiga, podemos usar esta relación hipersensible para detectar cambios en la longitud de la cavidad del láser a distancias mucho más pequeñas que las que atraviesan los láseres LIGO y VIRGO. De hecho, estimamos que solo un detector de 10 metros podría lograr la misma precisión que LIGO en un rango de frecuencia ligeramente mayor. Los detectores de más de 10 metros de tamaño comenzarán a experimentar mucho menos ruido cuántico que LIGO para mejorar en gran medida la precisión.

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Para ayudar a diseñar este nuevo detector, he estado ejecutando simulaciones de comportamiento ultraluminoso para modelar con precisión estos láseres y determinar parámetros que optimizarán nuestro uso de láseres, como el tamaño del orificio, la potencia del láser y la frecuencia de accionamiento, para poder para detectar una señal de onda gravitacional distinta. Hacerlo requiere varias operaciones matemáticas intensivas en una supercomputadora, ya que el láser ultrabrillante se crea explotando 39 Subniveles de Zeman En vapor de rubidio atómico. Utilizando un algoritmo especial desarrollado por el grupo de Shahryar, resolvimos 39 × 39 hamiltoniano para determinar la evolución temporal del sistema cuántico que genera el láser. Esto incluye consideraciones de acoplamiento entre subniveles y dispersión rápida de los átomos. Al ejecutar esta simulación, estamos más cerca de comprender un láser ultrabrillante y finalmente construir un detector de ondas gravitacionales. Algún día, muchos pequeños detectores de ondas gravitacionales de este diseño podrían colocarse alrededor del mundo y en el espacio, dándonos la oportunidad de hacer más observaciones de ondas gravitacionales.

Diagrama esquemático del detector de ondas gravitacionales propuesto.
Figura 1. Este es un diagrama básico de cómo funcionaría el reactivo propuesto. El detector utiliza dos láseres de superanillo (en las frecuencias f1 y f2) que interactúan para producir una frecuencia de pulso proporcional a la tensión de la onda gravitacional. Los láseres se crean enviando un láser estándar a las cavidades de vapor atómico de rubidio y vinculándolos a transformaciones Zeman de subnivel en átomos.

Editado por Astrobite Michael Hammer


Izer

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