[論文レビュー] Searching for new physics with a levitated-sensor-based gravitational-wave detector

N. Aggarwal, George Winstone+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2020

Mechanical and Optical Resonators被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、10 kHz以上の高周波数帯で感度を発揮するため、光学的トラップによる多重層ディエレクトリックディスクを用いた浮上センサー型重力波検出器を提案する。この検出器により、ブラックホール周辺のGUTスケールQCDオクチンの対消滅から生じる単色性重力波を検出可能となる。積層構造により光子反動加熱が低減されるとともに質量が増加し、100 kHz帯で感度が10倍以上向上する。

ABSTRACT

The Levitated Sensor Detector (LSD) is a compact resonant gravitational-wave (GW) detector based on optically trapped dielectric particles that is under construction. The LSD sensitivity has more favorable frequency scaling at high frequencies compared to laser interferometer detectors such as LIGO. We propose a method to substantially improve the sensitivity by optically levitating a multi-layered stack of dielectric discs. These stacks allow the use of a more massive levitated object while exhibiting minimal photon recoil heating due to light scattering. Over an order of magnitude of unexplored frequency space for GWs above 10 kHz is accessible with an instrument 10 to 100 meters in size. Particularly motivated sources in this frequency range are gravitationally bound states of QCD axions with decay constant near the grand unified theory (GUT) scale that form through black hole superradiance and annihilate to GWs. The LSD is also sensitive to GWs from binary coalescence of sub-solar-mass primordial black holes and as-yet unexplored new physics in the high-frequency GW window.

研究の動機と目的

• 10 kHzを超える未開拓の高周波数帯への重力波検出を拡張し、天体的源は稀であるが新物理が現れる可能性がある。
• 光学的浮上センサーにおける光子反動加熱と熱雑音の制限を克服し、高周波数帯での感度を向上させる。
• 特にGUTスケールQCDオクチンの重力波を、ブラックホール周辺のオクチン束縛状態からの対消滅から検出可能にする。
• 高周波重力波信号を通じて、超軽量ボソンおよびダークマター候補のパラメータ空間を探索する。
• 従来のインターフェオメーターよりも高周波数帯で優れたノイズスケーリングを示す、コンactでスケーラブルな検出器アーキテクチャを開発する。

提案手法

• 光学的トラップによる多重層ディエレクトリックディスクを用い、センサー質量を増加させるとともに光子反動加熱を最小限に抑える。
• 熱雑音は周波数に依存して改善されるのに対し、光子ショットノイズは周波数が高くなると悪化するため、熱雑音の周波数スケーリングの利点を活かし、レーザー干渉計とは異なり高周波数帯で感度を向上可能にする。
• 薄いディエレクトリックディスクの積層構造を採用し、散乱に起因する加熱を低減する。理論的および実験的 studies により、球形粒子と比較してディスク形状は加熱率が低いと示されている。
• 検出器を10–300 kHz帯で動作させ、恒星質量ブラックホール周辺のオクチンクラウド対消滅から生じるコherent重力波信号を標的とする。
• オクチンの超放射および対消滅の数値モデルを用い、信号の歪み振幅と持続時間を推定し、検出器の統合時間および帯域幅要件を決定する。
• 弱い単色性重力波信号の周波数ドリフトを考慮したコherent統合戦略を採用し、長い統合時間内での信号検出を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 浮上センサー型検出器は、従来のインターフェオメーターが制限を受ける10 kHz以上の周波数帯で、競争力のある重力波感度を達成できるか？
• RQ2 ディエレクトリックディスクの積層により、光子反動加熱を著しく低減しつつセンサー質量を増加させ、高周波数帯での重力波感度をどの程度向上できるか？
• RQ3 GUTスケールQCDオクチンの重力波放射から、ブラックホールの超放射による単色性重力波を検出可能なパラメータ空間はどの程度か？
• RQ4 周波数ドリフトや歪み振幅といった信号特性が、コンパクトな検出器におけるオクチン対消滅信号の検出可能性に与える影響は？
• RQ5 この検出器アーキテクチャは、高周波重力波スペクトルにおけるダークマター物理学および標準模型を超える現象の新規な覗き込みを可能にするか？

主な発見

• 積層されたディエレクトリックディスク構造により、単一粒子と比較して光子反動加熱が桁違いに低減され、より高い質量と優れた力感度が実現可能となる。
• LSD検出器は、有利な熱雑音スケーリングのおかげで高周波数帯で感度が向上し、10 kHz以上でLIGOと同等またはそれを上回る性能を示す。
• 検出器は10–300 kHz帯をカバーでき、GUTスケールQCDオクチン対消滅から生じる単色性重力波の最適帯域をカバーする。近くのブラックホールでは予測される歪み振幅が約10⁻²⁴に達する。
• ℓ = 1, 2, 3 のオクチンクラウドからの信号は検出可能であり、より重いオクチンでは高次のℓ状態も検出可能となり、従来未探索のパラメータ空間への到達が可能になる。
• 信号持続時間は10⁶ sから10¹² sの範囲にあり、周波数ドリフトは小さく（約4×10⁻⁸ Hz/s）あるため、長時間統合による信号同定が容易になる。
• 理論的モデルでは、GUTスケールに近いオクチン崩壊定数（fₐ ~ 2×10¹⁶ GeV）では、超放射オクチンクラウドからの強い重力波放射が予測される。