[论文解读] 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 9

一句话总结

本文提出一种基于悬浮传感器的引力波探测器，利用光学捕获的多层介质圆盘在10 kHz以上实现高频灵敏度，可探测黑洞周围GUT尺度QCD轴子湮灭产生的单色引力波。堆叠设计在降低光子反冲加热的同时增加质量，使100 kHz频段的灵敏度提升一个数量级以上。

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.

研究动机与目标

• 将引力波探测扩展至10 kHz以上的未探索高频段，该频段天体物理源稀少，但可能揭示新物理现象。
• 克服光学悬浮传感器中光子反冲加热与热噪声限制，后者阻碍高频灵敏度的提升。
• 实现对黑洞周围轴子束缚态湮灭产生的单色引力波的探测，特别是GUT尺度QCD轴子。
• 通过高频引力波信号探索超轻玻色子与暗物质候选者的参数空间。
• 开发一种紧凑且可扩展的探测器架构，凭借有利的噪声标度特性，在高频段超越传统激光干涉仪。

提出的方法

• 利用光学捕获的多层介质圆盘在提升悬浮传感器质量的同时，最小化光子反冲加热。
• 利用热噪声相对于光子散粒噪声的频率标度优势，使灵敏度在更高频段提升，与激光干涉仪不同。
• 采用薄介质圆盘堆叠结构，以降低散射引起的加热，因理论与实验研究表明，圆盘几何形状的加热速率低于球形粒子。
• 设计探测器在10–300 kHz频段工作，目标探测来自恒星级黑洞周围轴子云湮灭的相干引力波信号。
• 利用轴子自放大与湮灭的数值模型估算信号应变与持续时间，以确定探测器的积分时间与带宽需求。
• 采用相干积分策略，检测具有频率漂移的微弱单色引力波信号，利用探测器的长积分窗口。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于悬浮传感器的探测器是否能在10 kHz以上频段实现与传统干涉仪竞争的引力波灵敏度？
• RQ2 通过堆叠介质圆盘在提升传感器质量的同时，能在多大程度上降低光子反冲加热，从而提升高频引力波探测灵敏度？
• RQ3 通过黑洞自放大过程中GUT尺度QCD轴子的引力波发射，其可探测的参数空间范围如何？
• RQ4 信号特征如频率漂移与应变幅度如何影响紧凑探测器中轴子湮灭信号的可探测性？
• RQ5 该探测器架构是否能为高频引力波谱中的暗物质物理与标准模型之外的新现象打开新的研究窗口？

主要发现

• 堆叠介质圆盘设计相比单颗粒可将光子反冲加热降低数个数量级，从而实现更高质量与更优力灵敏度。
• LSD探测器因热噪声有利的频率标度特性，在高频段实现灵敏度提升，使其在10 kHz以上频段与LIGO相比具有竞争力或更优表现。
• 探测器可覆盖10–300 kHz频段，涵盖GUT尺度QCD轴子湮灭产生单色引力波的最优频段，对附近黑洞的预测应变幅度可达~10⁻²⁴。
• 可探测ℓ = 1, 2, 3的轴子云信号，更高ℓ态对更重轴子开放，拓展至此前未探索的参数空间。
• 信号持续时间在10⁶ s至10¹² s之间，频率漂移极小（~4×10⁻⁸ Hz/s），有利于在长积分时间内识别信号。
• 探测器的探测范围延伸至接近GUT尺度的轴子衰变常数（fₐ ~ 2×10¹⁶ GeV），理论模型预测此时自放大轴子云将产生强烈的引力波辐射。