[논문 리뷰] Scalable, symmetric atom interferometer for infrasound gravitational wave detection

C. Schubert, D. Schlippert외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 04.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 0.3–5 Hz 범위의 인프라소리 중력파를 탐지하기 위해 단일 및 접힌 삼중루프 기하학을 가진 확장 가능하고 대칭적인 원자 간섭계를 제안한다. 반대 방향으로 진행되는 이중 격자와 접힌 루프를 사용함으로써 피코켈빈 원자 집합이 필요로 하는 것을 제거하고, $2 \cdot 10^{-21}/\sqrt{\mathrm{Hz}}$ 수준의 감도를 확보하며, 단일 루프 설계 대비 좁은 대역 탐지에서 9배 향상된 신호 대 잡음비를 달성한다.

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 $2\cdot10^{-21}\,/\sqrt{\mathrm{Hz}}$.

연구 동기 및 목표

• 현재 지상 기반(LIGO) 및 우주 기반(LISA) 탐지기 사이에 위치한 인프라소리 대역(0.3–5 Hz)에서 중력파를 탐지하는 데 도전하는 문제를 해결한다.
• 기존 원자 간섭계에서 산갈 효과로 인해 요구되는 피코켈빈 온도의 원자 집합이 필요로 하는 엄격한 조건을 극복한다.
• 수평 간섭계의 확장 가능성을 유지하면서 수직 설계의 스펙트럼 조절 기능을 결합하여 광대역 및 공진 탐지 모드를 모두 구현할 수 있는 탐지기를 개발한다.
• 대칭적이고 접힌 루프 기하학을 사용하여 목표 주파수 대역에서 $2 \cdot 10^{-21}/\sqrt{\mathrm{Hz}}$의 변형 감도를 달성한다.
• 기존 천문 관측을 보완하고 다중 메신저 천문학을 향상시키기 위해 지상에서 저연성 이격 이진 시스템으로부터 중력파를 탐지할 수 있도록 한다.

제안 방법

• 두 개의 반대 방향으로 진행되는 빛 빔을 사용한 이중 격자 구성으로, 두 경로에 동일한 광자 반동을 보장하는 대칭적인 물질파 간섭계를 구현한다.
• 원자 경로를 공간적으로 재사용함으로써 단순한 루프 설계에 비해 위상 감도를 향상시키면서 깊은 굴착이나 극한의 냉각이 필요로 하지 않는 접힌 삼중루프 기하학을 설계한다.
• x 및 y 방향의 두 수평 루프와 각각 두 개의 원자 간섭계를 사용하며, 공통된 레이저 빔을 통해 레이저 주파수 노이즈를 억제한다.
• z 방향의 빛 경로 길이에 발생하는 중력파 유도 변조를 감지하기 위해 두 루프 간의 차별화된 위상 측정을 적용한다.
• 자유 낙하 시간 T를 스펙트럼 응답을 조절할 수 있는 조절 가능한 매개변수로 활용하며, 삼중루프 설계에서 1m 높이의 챔버에서 T는 최대 260ms까지 조절 가능하다.
• 정렬 및 방향 제어가 동기화된 재발사 장치를 사용하여 기술적 노이즈, 특히 방향 흔들림과 회전 노이즈를 최소화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 접힌 루프 원자 간섭계는 인프라소리 대역에서 높은 감도를 유지하면서도 피코켈빈 원자 집합이 필요로 하는 조건을 제거할 수 있는가?
• RQ2 광대역 및 좁은 대역 탐지 모드에서 접힌 삼중루프 기하학은 단일 루프 간섭계에 비해 신호 대 잡음비를 얼마나 향상시키는가?
• RQ3 자유 낙하 시간 T를 통해 간섭계의 스펙트럼 응답을 얼마나 조절할 수 있으며, 이는 저주파수 감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 접힌 루프 설계에서 지배적인 기술적 노이즈 원인은 무엇이며, 이러한 노이즈는 $2 \cdot 10^{-21}/\sqrt{\mathrm{Hz}}$의 변형 감도를 달성하기 위해 어떻게 억제될 수 있는가?
• RQ5 지속적인 재발사 사이클 동안 방향 노이즈나 기계적 불안정성으로 인한 감도 열화 없이 간섭계가 위상 안정성과 일관성을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 접힌 삼중루프 간섭계는 좁은 대역 탐지 모드에서 단일 루프 설계 대비 약 9배 높은 신호 대 잡음비를 달성한다.
• 단일 루프 간섭계의 감도는 이중 격자 간의 높이 차이 45cm로 인해 자유 낙하 시간 T의 조절 가능성이 제한된다.
• 반면, 접힌 삼중루프 설계는 1m 높이의 챔버에서 T를 최대 260ms까지 조절할 수 있어 저주파수 감도를 크게 향상시킨다.
• 접힌 삼중루프 간섭계의 변형 감도는 저주파수에서 $f^{-4}$의 스케일링을 보이며, 단일 루프 설계의 $f^{-2}$ 스케일링을 능가한다.
• 거울 진동과 뉴턴 노이즈가 1Hz 이하에서 감도를 제한하지만, 지지 시스템과 차별화된 가중치를 사용하여 뉴턴 노이즈 수준과 유사한 수준으로 억제할 수 있다.
• 잔류 회전 노이즈가 $2 \cdot 10^{-11}\, \mathrm{(rad/s)/\sqrt{\mathrm{Hz}}}$일 경우, 약 400초의 통합 시간 이후 내재된 방향 노이즈 한계에 도달하므로 장시간 통합을 위해서는 노이즈 억제 전략이 필수적이다.