[論文レビュー] Scalable, symmetric atom interferometer for infrasound gravitational wave detection

C. Schubert, D. Schlippert+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2019

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 17

ひとこと要約

本論文は、インフラサウンド重力波（0.3–5 Hz）を検出することを目的として、単一および折りたたみ型3重ループ幾何構造を備えたスケーラブルで対称的な原子干渉計を提案する。反対方向に伝播する二重格子と折りたたみループを用いることで、フェムトケルビンの原子アンサンブルを必要とせず、$2 \cdot 10^{-21}/\sqrt{\mathrm{Hz}}$の感度を達成し、単一ループ設計と比較して狭帯域検出において9倍の信号対雑音比向上を実現する。

ABSTRACT

We propose a terrestrial detector for gravitational waves with frequencies between 0.3 Hz and 5 Hz. Therefore, we discuss a symmetric matter-wave interferometer with a single loop and a folded triple-loop geometry. The latter eliminates the need for atomic ensembles at femtokelvin energies imposed by the Sagnac effect in other atom interferometric detectors. It also combines several advantages of current vertical and horizontal matter wave antennas and enhances the scalability in order to achieve a peak strain sensitivity of $2\cdot10^{-21}\,/\sqrt{\mathrm{Hz}}$.

研究の動機と目的

• 現在の地上型（LIGO）と宇宙空間型（LISA）の検出器の間にあるインフラサウンド帯（0.3–5 Hz）における重力波検出の挑戦に応えること。
• 従来の原子干渉計におけるサニャック効果によって課せられるフェムトケルビン温度の原子アンサンブルを必要とする厳しい要件を克服すること。
• 水平干渉計のスケーラビリティと垂直配置のスペクトル調整性を併せ持つ検出器を構築し、広帯域および共鳴検出モードの両方を実現すること。
• 対称的で折りたたみループ幾何構造を用いて、標的周波数帯域で$2 \cdot 10^{-21}/\sqrt{\mathrm{Hz}}$のストレイン感度を達成すること。
• 地上での重力波検出を可能にし、既存の天文学的観測を補完し、マルチメッセンジャーアストロノミーを強化すること。

提案手法

• 両方の経路で等しい光子反動を確保するため、二重格子構成と二つの反対方向に伝播する光ビームを用いた対称的物質波干渉計を実装する。
• 空間的に原子の軌道を再利用することで位相感度を向上させるが、深さの坑道や極端な冷却を必要としない折りたたみ3重ループ幾何構造を設計する。
• xおよびy方向の2本の水平アームにそれぞれ2つの原子干渉計を配置し、共通のレーザー光ビームを用いてレーザー周波数ノイズを抑制する。
• z方向の光路長に生じる重力波による変調を検出するために、2つのアーム間の差分位相測定を適用する。
• 自由落下時間Tをスイッチングパrameterとして用い、スペクトル応答を整形する。3重ループ設計では1 mの高さのチャンバ内でTを最大260 msまで調整可能である。
• 同期されたタイミングと指向制御を備えたリラUNCH機構を採用し、特に指向ジャイターや回転ノイズなどの技術的ノイズを最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 折りたたみループ原子干渉計は、フェムトケルビンの原子アンサンブルを必要とせずに、インフラサウンド帯で高い感度を維持できるか？
• RQ2 広帯域および狭帯域検出モードの両方において、折りたたみ3重ループ幾何構造は単一ループ干渉計と比較して、信号対雑音比をどのように向上させるか？
• RQ3 自由落下時間Tを介して、干渉計のスペクトル応答をどの程度調整可能か。また、その調整が低周波数感度に与える影響は？
• RQ4 折りたたみループ設計における支配的技術的ノイズ源は何か。それらは$2 \cdot 10^{-21}/\sqrt{\mathrm{Hz}}$のストレイン感度を達成するために抑制可能か？
• RQ5 指向ノイズや機械的不安定性の影響を受けることなく、複数回のリラUNCHサイクルにわたってコherenceと位相安定性を維持できるか？

主な発見

• 折りたたみ3重ループ干渉計は、狭帯域検出モードにおいて単一ループ設計と比較して信号対雑音比が約9倍向上する。
• 単一ループ干渉計の感度は、二重格子間の高さ差45 cmが原因で、自由落下時間Tの調整が制限される。
• これに対して、折りたたみ3重ループ設計では1 mの高さのチャンバ内でTを最大260 msまで調整可能であり、低周波数感度が顕著に向上する。
• 折りたたみ3重ループ干渉計のストレイン感度は低周波数域で$f^{-4}$に比例するが、これは単一ループ設計の$f^{-2}$に比べて優れている。
• ミラーの振動とニュートニアンノイズが1 Hz未満の感度を制限するが、サスペンションシステムと差分重み付けを用いることで、ニュートニアンノイズと同等のレベルに抑えることができる。
• 残留回転ノイズが$2 \cdot 10^{-11}\, \mathrm{(rad/s)/\sqrt{\mathrm{Hz}}}$の場合、約400秒の積分時間で内在する指向ノイズの限界に達するため、長時間積分のためにはノイズ低減戦略が不可欠である。