[論文レビュー] Technologies for the ELGAR large scale atom interferometer array

B. Canuel, Sven Abend+57 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2020

Advanced Frequency and Time Standards参考文献 209被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、1.7 Hzのインフラサウンド帯で重力波を検出することを目的とした大規模原子干渉計アレイELGARを提案する。この検出器は、$3.3 \times 10^{-22}/\sqrt{\text{Hz}}$のストレイン感度を有する。原子光学、地震遮断、ニュートニアンノイズキャンセレーション、ノイズ結合低減といったキーテクノロジーを詳細に提示し、冷たい原子を用いた分散型干渉計ネットワークを用いた次世代重力波検出器実現のロードマップを確立する。

ABSTRACT

We proposed the European Laboratory for Gravitation and Atom-interferometric Research (ELGAR), an array of atom gradiometers aimed at studying space-time and gravitation with the primary goal of observing gravitational waves (GWs) in the infrasound band with a peak strain sensitivity of $3.3 imes 10^{-22}/\sqrt{ ext{Hz}}$ at 1.7 Hz. In this paper we detail the main technological bricks of this large scale detector and emphasis the research pathways to be conducted for its realization. We discuss the site options, atom optics, and source requirements needed to reach the target sensitivity. We then discuss required seismic isolation techniques, Gravity Gradient Noise reduction strategies, and the metrology of various noise couplings to the detector.

研究の動機と目的

• 1.7 Hz付近のインフラサウンド周波数帯に特化した、デシヘルツ帯における重力波検出が可能な大規模原子干渉計アレイの設計。
• 重力波検出に必要なストレイン感度$3.3 \times 10^{-22}/\sqrt{\text{Hz}}$を達成するための主な技術的課題の特定と解決。
• LSBB（フランス）やサルディニア（イタリア）といった候補地の評価を通し、地震的・ニュートニアンノイズ条件が最適となる場所の特定。
• 重力勾配やビーム指向ジャイタなど環境的結合を低減するための高度なノイズ低減戦略の開発、特にニュートニアンノイズのコherentキャンセレーションとその有効性の評価。
• 将来的な大規模冷たい原子干渉計技術と計測技術の基盤を構築し、MIGA、VLBAI、AIONといった今後の重力波観測施設や国家的イニシアチブを支援する。

提案手法

• $^{87}$Rb原子を用いたマルチノード原子干渉計アレイを提案。二重ループまたは折りたたみ型三重ループの幾何構造を採用することで感度を向上させるとともに、位相ノイズを低減。
• ラマン遷移に基づくビームスプリッターを用いた帯域幅広いおよび共鳴モードの検出を実装。不要な位相項の抑制により位相安定性を最適化。
• $N = 10^9$個の原子と$\sim 16$ mmのトーマス＝フェルミ半径を有する原子源の要件を提示。これにより$\Delta\phi_{\rm{MF}} = 0.1\ \mu\text{rad}/\sqrt{\text{Hz}}$の位相ノイズが達成可能であり、これは熱的エナメルのデルタキック冷却によって実現可能。
• 複数段階の地震遮断システムを設計。光学部のアクティブ制御とサスペンションを組み合わせ、既存の重力波検出器の基準を踏襲しつつ、原子干渉計に適応。
• 複数の干渉計を用いたコherentキャンセレーション技術を導入し、ニュートニアンノイズを低減。アレイ全体における空間的・時間的コherー二ティを活用。
• 回転、ビームのずれ、重力勾配、磁場、ブラックボディ放射、散乱光といったノイズ結合の計測的モデリングを実施。これにより、位相安定性に与える影響を定量的に評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模原子干渉計アレイにおいて、感度を最大化するとともに位相ノイズを最小化するための最適な干渉計幾何構造とビームスプリッティング技術は何か？
• RQ2 長基線原子干渉計に必要な高い安定性を満たすために、地震遮断およびアクティブ制御システムをどのように設計すべきか？
• RQ3 地下施設におけるニュートニアンノイズの主な発生源は何か？ また、アレイ型干渉計を用いてどのようにコherentキャンセレーションが可能か？
• RQ4 ビーム指向ジャイタ、重力勾配、ブラックボディ放射といった環境的結合が干渉計の位相安定性に与える影響は何か？ 有効な低減戦略は何か？
• RQ5 LSBB やサルディニアといった候補地の中で、地震ノイズ低減と有利なニュートニアンノイズ特性の両立を実現する最適な場所はどこか？

主な発見

• 折りたたみ型三重ループ幾何構造と共鳴検出モードが、優れた位相安定性とノイズ低減性能を示し、1.7 Hzで$3.3 \times 10^{-22}/\sqrt{\text{Hz}}$の目標感度を達成可能であることが示された。
• $0.1\ \mu\text{rad}/\sqrt{\text{Hz}}$の必要な位相ノイズ予算を達成するには、トーマス＝フェルミ半径約16 mmの熱的原子エナメルが必要であり、これはデルタキック冷却によって実現可能である。
• 長時間積分にわたる位相安定性を1ナノラジアン未塔に保つには、フィードバック制御と低熱的ノイズを有する多段階アクティブサスペンションを備えた地震遮断システムが必要である。
• ニュートニアンノイズのコherentキャンセレーションは、干渉計アレイを用いることで実現可能であり、その効果は基線の幾何構造と現地の重力勾配ノイズプロファイルに依存する。
• 磁場、ブラックボディ放射、ビームのずれが位相ノイズに顕著に寄与する。2次効果のゼーマン効果およびDCスターリング力が、特に重要な摂動要因と特定され、アクティブ安定化が不可欠である。
• サイト評価により、フランスのLSBBとイタリアのSos Enattos/Nuraxiが優れた候補地と特定された。LSBBは地震ノイズが低く、サルディニアはニュートニアンノイズ特性が有利である。