[论文解读] The Global Network of Cavities to Search for Gravitational Waves (GravNet): A novel scheme to hunt gravitational waves signatures from the early universe

K. Schmieden, M. Schott|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2023

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 4

一句话总结

本文提出GravNet，一种在强磁场中由谐振空腔组成的全球网络，用于探测GHz频段的高频引力波（GWs），主要源自原初黑洞并合。通过相干相关多个地理位置分离的空腔所接收的单光子信号，GravNet可提升信噪比，实现对瞬态引力波信号的探测，应变灵敏度可达 $ h_0 \sim 10^{-24} $，即使仅使用中等规模、商用的磁体系统亦可实现。

ABSTRACT

The idea of searching for gravitational waves using cavities in strong magnetic fields has recently received significant attention. Specifically, discussions focus on cavities with relatively small volumes, which are currently employed in the search for axions. In this context, we propose a novel experimental scheme that enables the detection of gravitational waves in the GHz regime, which could originate, for example, from primordial black hole mergers. The scheme is based on synchronous measurements of cavity signals from multiple devices operating in magnetic fields at distant locations. While gravitational wave signatures might be detectable in individual cavities, distinguishing them from noise is highly challenging. By analyzing the correlation among signals from several, possibly geographically separated cavities, it is not only possible to significantly enhance the signal-to-noise ratio but also to investigate the source of those gravitational wave signatures. In the context of this proposal, a first demonstration experiment with one superconducting cavity is currently conducted, which is the basis of the proposed data-analysis approaches. On this basis the prospects of GravNet (Global Network of Cavities to Search for Gravitational Waves) are outlined in the paper.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展、低成本的高频频段（GHz）引力波（GWs）探测方法，该频段目前无法被现有激光干涉仪探测器覆盖。
• 通过利用多个远距离探测器之间的空间与时间相关性，克服单个空腔实验中难以区分微弱GW诱导信号与噪声的挑战。
• 通过在空腔网络中采用基于符合的光子计数策略，实现对瞬态引力波信号（如原初黑洞并合）的探测。
• 建立一个协作性的全球实验框架，利用现有实验室基础设施，推动机构间的资源共享与研发合作。
• 通过20个或更多独立空腔探测器组成的网络，并优化符合窗口，实现对瞬态引力波信号应变灵敏度低于 $ 10^{-24} $。

提出的方法

• 利用在强静态磁场中工作的谐振微波空腔，通过逆Gertsenshtein效应将引力波（GW）信号转换为可测量的电磁信号。
• 采用双重实验方法：GravNet-1（对信号在1–2小时内进行空腔激发与积分）和GravNet-2（采用毫秒级符合窗口的单光子计数）。
• 在多个地理位置分离的空腔之间应用基于相关性的信号提取技术，以抑制背景噪声并提升灵敏度。
• 使用信号功率公式 $ P_{\text{sig}} \propto Q \omega_g^3 V^{5/3} (\eta_n h_0 B_0)^2 $ 估算灵敏度，灵敏度与磁场 $ B_0 $ 呈二次方关系，且与 $ V^{5/3} $ 成正比。
• 应用符合窗口 $ \Delta t $ 识别在 $ k $ 个探测器中同时发生的光子探测事件，以减少热噪声与探测器噪声引起的误报。
• 使用泊松统计模型检测效率，假设每个探测器的暗计数率为10 Hz，并确定最优符合阈值（例如，20个探测器中18个同时触发）以确认信号。

Figure 1: Left: Maximum feasible integration time given by the duration the frequency change is less than $f_{0}/Q$ , assuming $Q=10^{6}$ , for a PBH merger. Right: typical strains of PBH mergers in dependence of their mass for distances of 1pc and 10pc from the earth.

实验结果

研究问题

• RQ1 在强磁场中，由小型商用空腔组成的网络能否探测到GHz频段的高频引力波？
• RQ2 通过相关多个地理位置分离的空腔信号，如何显著提升信噪比？
• RQ3 基于符合的单光子计数方案，探测瞬态引力波信号的最小可检测应变是多少？
• RQ4 网络的灵敏度如何随探测器数量、符合窗口大小与光子探测率变化？
• RQ5 该方法能否探测到质量大于 $ 3 \times 10^{-7} M_\odot $ 的原初黑洞并合所辐射的引力波？

主要发现

• GravNet-2在20个独立空腔、31 ms符合窗口下，对40 Hz的信号光子通量实现100%的探测效率，对应GravNet-b配置下引力波应变为 $ h_0 = 3 \times 10^{-24} $。
• 对于持续约10 ms的瞬态引力波信号，GravNet可实现 $ h_0 \sim 10^{-24} $ 的应变灵敏度，具体取决于空腔尺寸与探测效率。
• 在假设的噪声模型下（暗计数率为10 Hz），网络可实现无背景运行，31 ms的符合窗口使20个探测器每年仅产生1次背景符合事件。
• 对于长时间积分的单色源（如2小时），可实现 $ h_0 < 10^{-24} $ 的灵敏度；而对于10 ms的瞬态信号，可实现 $ h_0 < 10^{-22} $ 的灵敏度。
• 该方法对空腔间频率失配具有鲁棒性，因其无需相位对齐，因此可使用现成的磁体系统。
• 所提出的网络具有可扩展性与成本效益，依赖现有商用磁体，无需专用高成本基础设施，可实现全球协作。

Figure 3: Schematic overview of the SUPAX experimental setup.