Junto com seus colegas de Virgem, os pesquisadores da AEI Harald Lück, Moritz Mehmet, e Henning Vahlbruch instalam a fonte de luz comprimida, que foi desenvolvido em Hannover, em uma sala limpa no detector de ondas gravitacionais de Virgem. Crédito:H. Lück / B. Instituto Knispel / Max Planck de Física Gravitacional
A mecânica quântica não descreve apenas como o mundo funciona em suas menores escalas, mas também afeta o movimento de objetos macroscópicos. Uma equipe de pesquisa internacional, incluindo quatro cientistas do MPI for Gravitational Physics (Albert-Einstein-Institut / AEI) e da Leibniz University em Hannover, Alemanha, mostrou como eles podem influenciar o movimento dos espelhos, cada um pesando mais de 40 kg, no detector avançado de ondas gravitacionais de Virgem através do uso deliberado da mecânica quântica. No centro de seu experimento publicado hoje em Cartas de revisão física é uma fonte de luz comprimida, desenvolvido e construído na AEI em Hanover, que gera radiação laser especialmente sintonizada e melhora a sensibilidade de medição do detector durante as execuções de observação.
O mundo da mecânica quântica de probabilidades e incertezas também governa o comportamento dos detectores de ondas gravitacionais quilométricos. Advanced LIGO, Virgem avançada, e GEO600. A sensibilidade desses instrumentos de alta precisão às ondas gravitacionais - causou, por exemplo, por fusões de buracos negros distantes - atualmente é limitado pelo ruído de fundo da mecânica quântica.
A incerteza de Heisenberg limita os detectores
Nos detectores, a luz laser é usada para medir com a mais alta precisão a posição relativa de espelhos a quilômetros de distância. Mesmo na ausência de quaisquer sinais de ondas gravitacionais ou fontes de ruído, essas medições da posição do espelho mostrariam um leve jitter.
A razão para isso é o princípio da incerteza de Heisenberg. De acordo com esta pedra angular da mecânica quântica, medições simultâneas de duas grandezas relacionadas são impossíveis com precisão arbitrária; eles estão borrados, ou incerto. Contudo, a imprecisão da medição de uma das duas quantidades pode ser reduzida - mas apenas às custas de uma imprecisão maior ao medir a outra quantidade.
Em detectores de ondas gravitacionais, o ruído de disparo - o padrão das partículas de luz que chegam de forma aleatória e irregular - geralmente é reduzido. Esse truque é necessário porque esse ruído de fundo da mecânica quântica limita a sensibilidade dos detectores em altas frequências de medição com as quais eles ouvem o cosmos.
Não existe almoço grátis
De acordo com a relação de incerteza, Contudo, ruído de tiro reduzido resulta em ruído de pressão de radiação aumentado:A força com a qual o fluxo de partículas de luz empurra os espelhos flutua mais fortemente. Como resultado, os espelhos se movem para frente e para trás mais, simplesmente por causa dos efeitos da mecânica quântica.
"Não existe almoço grátis:se você reduzir o ruído de fundo da mecânica quântica em altas frequências usando fontes de luz comprimida atuais, você paga um preço. E esse preço é o aumento do ruído quântico - e, portanto, a precisão da medição reduzida - em frequências mais baixas, "explica Moritz Mehmet, pesquisador do AEI Hannover.
Vista do edifício central GEO600, onde muitas das tecnologias avançadas de detectores estão sendo desenvolvidas e testadas. Crédito:H. Grote (Albert Einstein Institute Hannover)
Espelhos enormes se movem
Até agora, outras fontes de ruído técnico ocultaram esse aumento no ruído de pressão de radiação em detectores de ondas gravitacionais. Somente agora, durante a terceira execução de observação do Advanced LIGO e do Advanced Virgo (abril de 2019 a março de 2020), essa detecção se tornou uma possibilidade usando fontes de luz comprimida e reduzindo outras fontes de ruído.
"Se usarmos luz especialmente comprimida, vemos claramente um jitter adicional dos espelhos de 42 quilogramas no detector Advanced Virgo - objetos realmente macroscópicos - em baixas frequências. Isso é devido aos efeitos da mecânica quântica, "diz Henning Vahlbruch, pesquisador do AEI Hannover.
Esta nova medição só é possível porque os pesquisadores são capazes de determinar as flutuações das posições do espelho para menos de um milésimo do diâmetro do próton. Medições anteriores desse efeito em experimentos de laboratório usaram massas que eram 10 milhões de vezes mais leves do que os espelhos de Virgem Avançado.
GEO600 pioneiro de luz comprimida
Desde 2010, o detector GEO600 alemão-britânico tem usado uma fonte de luz comprimida. GEO600 desempenha um papel pioneiro neste campo. Na terceira execução de observação conjunta (abril de 2019 até o final de março de 2020), os dois detectores Advanced LIGO e o detector Advanced Virgo também usavam luz comprimida. No instrumento Advanced Virgo, uma fonte de luz comprimida desenvolvida e construída no AEI Hannover com base no projeto testado no GEO600 está em uso.
No futuro, as fontes de luz comprimida terão que ser modificadas para aumentar ainda mais a sensibilidade dos detectores de ondas gravitacionais. A radiação laser cuidadosamente ajustada que eles geram não deve mais ser a mesma em todas as frequências. Suas propriedades devem ser ajustadas para reduzir o ruído da mecânica quântica em frequências altas e baixas. O desenvolvimento desta compressão dependente da frequência já está em andamento na comunidade mundial de pesquisadores de ondas gravitacionais, incluindo GEO600. Dois grupos mostraram as primeiras demonstrações experimentais bem-sucedidas na primavera de 2020.
