Légende: Détails de l’expérience de frequency dependent squeezing sur le site du NAOJ, à Mitaka (Japon)

Une étape franchie pour l’amélioration des détecteurs d’ondes gravitationnelles grâce à la manipulation des fluctuations du vide

La sensibilité des détecteurs d'ondes gravitationnelles est limitée par la nature quantique de la lumière. Récemment, une technique connue sous le nom de « squeezing » a été utilisée par les expériences LIGO et Virgo pendant la prise de données 03. Elle a pu conduire à une réduction du bruit quantique sur une plage toutefois limitée du spectre de fréquences.

Un groupe travaillant à l'Observatoire National d'Astronomie du Japon (NAOJ), qui inclut des chercheurs de l'APC et du LAPP, a démontré une technique pour réduire le bruit quantique sur tout le spectre des détecteurs d'ondes gravitationnelles.

Le bruit quantique provient des fluctuations du vide entrant par la sortie du détecteur. Ces fluctuations ont des composantes d'amplitude et de phase. Le bruit d'amplitude domine aux basses fréquences, tandis que le bruit de phase domine les hautes fréquences. La technique du «squeezing» consiste à redistribuer les incertitudes de l'amplitude et de la phase (égales dans le vide ordinaire) en utilisant l'interaction avec un cristal non linéaire. Cela permet de produire, par exemple, des états de vide avec un bruit de phase réduit. Le prix à payer est une augmentation du bruit d’amplitude, car ces deux quantités obéissent au principe de Heisenberg. Pour cette raison, un simple « squeezing » comme celui déjà utilisé dans Virgo et LIGO ne peut améliorer la sensibilité qu'à haute ou basse fréquence. Afin de réduire le bruit quantique sur tout le spectre, une source de squeezing plus complexe est nécessaire, Une telle source, connue sous le nom de "squeezing dépendante de la fréquence" comprend une longue cavité optique, dite "cavité de filtrage", qui peut imprimer une dépendance de fréquence sur l'état de squeezing.

Au NAOJ, une équipe composée de membres de KAGRA et également de chercheurs de l'APC et du LAPP a récemment démontré la faisabilité d'une telle technique en utilisant une cavité de 300 m, hébergée dans l'infrastructure de l'ancien interféromètre TAMA 300, sur le campus NAOJ de Mitaka, près de Tokyo.

Un article présentant ces résultats a été publié dans Physical Review Letters. Un résultat similaire a été obtenu par un groupe du MIT utilisant une cavité de filtre de 16 m, et les deux articles ont été publiés conjointement. Il s'agit d'un résultat crucial car il démontre une technologie clé pour améliorer la sensibilité des futurs détecteurs d’ondes gravitationnelles. Sa mise en œuvre, une fois combinée avec les autres améliorations prévues, devrait doubler la sensibilité des détecteurs comme Virgo et LIGO multiplier par 8 le taux de détection d’ondes gravitationnelles produites par les fusions de binaires d’objets compacts.

Publication:
Physical Review Letters. 124, 171101 – Published 28 April 2020  DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.171101
Signalement dans:
Physics APS

 
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