[論文レビュー] Detecting very-high-frequency relic gravitational waves by electromagnetic wave polarizations in a waveguide

Minglei Tong, Y. Zhang|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2007

Geophysics and Sensor Technology被引用数 14

ひとこと要約

この論文は、クルーズ研究グループが提唱したように、100 MHz 前後で非常に高周波のリリック重力波（RGWs）を、環状波ガイド内の電磁波の偏光回転を用いて検出する可能性を調査している。詳細な計算により、共鳴条件下では特定の偏光状態にのみ応答することが示されたが、RGWの振幅は現在の検出器感度よりも約17桁小さいため、計画された改良があっても現在のところ検出は不可能である。

ABSTRACT

The polarization vector (PV) of an electromagnetic wave (EW) will experience a rotation in a region of spacetime perturbed by gravitational waves (GWs). Based on this idea, Cruise's group has built an annular waveguide to detect GWs. We give detailed calculations of the rotations of the polarization vector of an EW caused by incident GWs from various directions and in various polarization states, and then analyze the accumulative effects on the polarization vector when the EW passes n cycles along the annular waveguide. We reexamine the feasibility and limitation of this method to detect GWs of high frequency around 100 MHz, in particular, the relic gravitational waves (RGWs). By comparing the spectrum of RGWs in the accelerating universe with the detector sensitivity of the current waveguide, it is found that the amplitude of the RGWs is too low to be detected by the waveguide detectors currently running. Possible ways of improvements on detection are discussed also.

研究の動機と目的

• 100 MHz 前後で非常に高周波のリリック重力波（RGWs）を、環状波ガイド内の電磁波偏光回転を用いて検出する可能性を評価すること。
• 異なる方向および偏光状態からの重力波が、波ガイド内の電磁波の偏光ベクトル（PV）に与える影響を分析すること。
• 波ガイドに沿った電磁波の複数サイクルに起因する累積的回転効果と、共鳴が検出感度を向上させる役割を評価すること。
• 加速宇宙における予測されたRGWスペクトルと、現在の波ガイド検出器の感度を比較し、検出可能性を評価すること。
• 将来のRGW検出のための検出器感度および波ガイド設計の改善可能性を検討すること。

提案手法

• 線形化一般相対性理論と重力波（GWs）の横方向トレースレスゲージを用いて、導体性トロイダル波ガイド内での重力波（GWs）と電磁波（EWs）の相互作用をモデル化すること。
• 計量テンソルの摂動と重力波の波動方程式を用いて、入射するGWsによって引き起こされる電磁波偏光ベクトル（PV）の回転角を導出すること。
• 電磁波が波ガイドに沿ってnサイクルを通過した後の累積的回転効果を計算し、電磁波の往復周波数と重力波周波数が一致する共鳴条件を組み込むこと。
• インフレーションと再結合パラメータでパrameter化された加速宇宙におけるRGWスペクトルの解析的近似を用い、100 MHz における予想される信号振幅を推定すること。
• 実験的パラメータ（入力電力、温度、Qファクター、効率など）から導出された検出器のクロス相関感度と、予測されたRGW振幅（Hz^{-1/2}あたり）を比較すること。
• 冷却増幅器、より高いQファクター、入力電力の増加、および複数検出器の相関を用いた感度向上の評価を通じて、実用的な検出可能性を検討すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 環状波ガイド法は、周波数が約100 MHz のリリック重力波（RGWs）を検出可能か？
• RQ2 さまざまな方向および偏光状態からの入射重力波に対して、電磁波の偏光ベクトルはどのように回転するか？
• RQ3 波ガイドに沿った電磁波の複数サイクルが累積的回転角に与える影響は何か？また、共鳴は検出可能性を向上させるか？
• RQ4 加速宇宙における予測されたRGW振幅は、現在の波ガイド検出器の感度と比べてどうか？
• RQ5 検出器設計や波ガイドパラメータ（例：半径）にどのような改善を加えることで、RGW振幅と検出可能閾値の差を埋められるか？

主な発見

• 環状波ガイド検出器は、共鳴条件下でのみ、z軸に沿って進行する線形偏光のRGWsにのみ反応し、他の偏光状態や進行方向では観測可能な効果が生じない。
• 100 MHz におけるRGWのルート・ミーン・スクエア（r.m.s.）振幅は、インフレーションパラメータβに応じて約10^{-32}から10^{-37} Hz^{-1/2}の範囲にあり、現在の検出器感度5×10^{-15} Hz^{-1/2}より17桁も小さい。
• 冷却増幅器、より高いQファクター、複数検出器相関といった計画された改良があっても、感度のギャップは依然として約12桁に留まり、検出は現在のところ不可能である。
• 波ガイド半径を1 mから100 mに増加させると、検出可能な周波数は約5×10^5 Hzに低下し、その際RGW振幅は約10^3倍に増加し、感度ギャップは約8桁にまで縮小される。
• RGWスペクトルは低い周波数で振幅が大きいため、100 MHz よりも低い周波数（例：5×10^5 Hz）で、より大きな波ガイドを用いてRGWを検出するほうが、100 MHz での検出よりも有望である。
• この手法による将来的なRGW検出の実現には、検出器技術および波ガイド設計の大幅な改善が必要であり、現在のプロトタイプでは感度が不十分である。