[論文レビュー] Electromagnetic Generators and Detectors of Gravitational Waves

L. P. Grishchuk|ArXiv.org|Jun 3, 2003

Geophysics and Sensor Technology参考文献 1被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、従来の研究で特定された10,000倍の信号対雑音比のギャップを克服するために、強い変動する電磁場を活用する電磁気的システムを、高周波数重力波（HFGW）の生成および検出の実用的手段として提案する。このシステムにおいて、ゼロ点揺らぎのパラメトリック増幅が残存HFGWを生成可能であると主張するが、信号の確率的性質と、ねじれ状態や大規模なコherent系といった量子強化技術の必要性から、検出は極めて困難であるとされる。

ABSTRACT

The renewed serious interest to possible practical applications of gravitational waves is encouraging. Building on previous work, I am arguing that the strong variable electromagnetic fields are appropriate systems for the generation and detection of high-frequency gravitational waves (HFGW). The advantages of electromagnetic systems are clearly seen in the proposed complete laboratory experiment, where one has to ensure the efficiency of, both, the process of generation and the process of detection of HFGW. Within the family of electromagnetic systems, one still has a great variety of possible geometrical configurations, classical and quantum states of the electromagnetic field, detection strategies, etc. According to evaluations performed 30 years ago, the gap between the HFGW laboratory signal and its level of detectability is at least 4 orders of magnitude. Hopefully, new technologies of today can remove this gap and can make the laboratory experiment feasible. The laboratory experiment is bound to be expensive, but one should remember that a part of the cost is likely to be reimbursed from the Nobel prize money ! Electromagnetic systems seem also appropriate for the detection of high-frequency end of the spectrum of relic gravitational waves. Although the current effort to observe the stochastic background of relic gravitational waves is focused on the opposite, very low-frequency, end of the spectrum, it would be extremely valuable for fundamental science to detect, or put sensible upper limits on, the high-frequency relic gravitational waves. I will briefly discuss the origin of relic gravitational waves, the expected level of their high-frequency signal, and the existing estimates of its detectability.

研究の動機と目的

• 以前の研究で推定された4桁の差に起因する、期待される実験室HFGW信号と検出可能性との間の長年のギャップを是正すること。
• 電磁気的システムを用いた、実験室ベースの高周波数重力波の生成および検出の可能性を検討すること。
• 特に量子強化測定技術の文脈において、高周波数の残存重力波の検出可能性を評価すること。
• 現代技術が感度ギャップを埋め、実験室HFGW実験を現実可能にするかどうかを評価すること。
• 初期宇宙の宇宙論的モデルに依存する、真空揺らぎのパラメトリック増幅と量子真空揺らぎの役割が、残存重力波の確率的背景をどのように生成するかを検討すること。

提案手法

• 弱場近似のもとでアインシュタイン方程式から導かれる線形化重力と、対称テンソル $ h^{ ueta} $ の波動方程式を用いる。
• ミンコフスキー時空における重力波の伝播を、ダランベール作用素を適用してモデル化し、波動方程式 $ h^{ ueta, u}_{, u} + \text{非線形項} = 0 $ を得る。
• 変動する電磁場を有する電磁気的システムを、HFGWの源および検出器として提案し、重力場への強い結合を活用する。
• 時間的に変化する重力ポンプ場によるパラメトリック増幅を導入し、特にゼロ点量子揺らぎからの波動生成を強化する。
• 確率的信号のための感度式 $ h_{\text{det}} \approx \sqrt{\frac{\hbar\Omega}{\mathcal{E}}} \frac{1}{\sqrt{Q}} $ を適応し、ランダムな信号蓄積を考慮して調整する。
• ねじれ状態や量子非破壊測定といった高度な量子技術が、残存HFGWの検出における感度ギャップを埋めるために不可欠であるとみなす。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電磁気的システムは、制御された実験室環境で高周波数重力波を効果的に生成および検出できるか？
• RQ2 高周波数の残存重力波の期待振幅はどの程度であり、それは宇宙論的モデルにどのように依存するか？
• RQ3 確率的残存HFGWの検出が、決定論的実験室HFGWの検出よりも著しく困難である理由は何か？
• RQ4 ねじれ状態のような量子強化測定技術が、残存HFGW検出における感度ギャップをどの程度縮小できるか？
• RQ5 真空揺らぎのパラメトリック増幅は、どのように確率的背景の残存重力波を生成するか？

主な発見

• 高周波数の残存重力波の平均二乗振幅は、$ \nu = 10^7 \, \text{Hz} $ で $ h_{\text{r.m.s.}} \approx 10^{-30} $ と推定され、$ \nu = 10^{11} \, \text{Hz} $ では $ \approx 10^{-32} $ に減少する。
• 従来の電磁気的検出器を用いたHFGWの検出可能な振幅は $ h_{\text{det}} \approx 10^{-26} $ と推定され、期待される残存信号レベルの $ \approx 10^{-30} $ よりも4桁大きい。
• 残存信号の確率的性質により、コherent増幅ではなくエネルギー蓄積に限られるため、決定論的実験室信号の検出よりも検出が著しく困難である。
• ねじれ量子状態と量子非破壊測定が、残存HFGWを検出するための必要な感度に到達するために不可欠な前提条件であると特定された。
• コherent結合を有する大規模複合系は検出効率を向上させ得るが、現時点では具体的な実装戦略は存在しない。
• ゼロ点揺らぎのパラメトリック増幅は、初期宇宙の宇宙論的モデルに依存する、確率的背景の残存重力波を生成する根本的メカニズムを提供する。