Mere tryk på tyngdebølgedetektorerne – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Nyheder > Nyheder 2018 > Mere tryk på tyngdebøl...

03. september 2018

Mere tryk på tyngdebølgedetektorerne

Tyngdebølge-detektorer:

Bohr-eksperter vil bruge principperne bag en lille glascelle fyldt med cæsiumatomer til at udvide overvågningen af rummet.

Eugene Polzik har sammen med Farid Khalili offentliggjort en artikel i det videnskabelige tidsskrift Physical Review Letters, hvori de to forskere forklarer, hvordan de forestiller sig at forbedre de eksisterende tyngdebølge-detektorers nøjagtighed. Foto: Ola J. Joensen
 

Eksperter fra Niels Bohr Institutet (NBI) ved Københavns Universitet går nu i laboratoriet for at udvikle en helt ny generation udstyr, der yderligere skal forbedre de superfølsomme tyngdebølge-detektorer, som blandt andet registrerer sammenstød af neutronstjerner i rummet.

"Vi er overbevist om, at vi kan få vores udstyr til detektorerne til at virke – og det bør kunne vises i test i løbet af cirka tre år. Kan vi opnå de forbedringer, vi anser for realistiske, vil tyngdebølge-detektorerne med vores udstyr kunne undersøge og foretage målinger i et otte gange større volumen i rummet, end de kan i dag. Og det vil være en meget kraftig udvidelse af undersøgelsesfeltet”, siger NBI-professor Eugene Polzik.

Han er leder af Center for Kvanteoptik (Quantop) ved NBI, og han skal stå i spidsen for udviklingen af det særlige udstyr til tyngdebølge-detektorerne. Arbejdet, der støttes med i alt cirka 10 millioner kr. fra EU, Eureka forskningssamarbejdet og den amerikanske John Templeton Foundation, vil foregå i Eugene Polziks laboratorium på Quantop.

En kollision, der gav genlyd

Nyhedsmedier verden over gik amok, da det i oktober 2017 blev bekræftet, at det var lykkedes et stort internationalt forskerhold at måle et sammenstød mellem to neutronstjerner 140 millioner lysår fra Jorden. Et sammenstød, der resulterede i dannelse af en kilonova.

Forskerholdet, som også inkluderede eksperter fra NBI, kunne fastslå kollisionen ved hjælp af målinger af tyngdebølger fra rummet, der udbreder sig med lysets hastighed. Disse bølger – også kendt som gravitationsbølger - blev registreret af tre tyngdebølge-detektorer: De to amerikanske LIGO-detektorer, som er placeret henholdsvis i Louisiana og i staten Washington på USA's vestkyst, og den europæiske Virgo-detektor, som står i Italien.

Cæsiumatomer i en spin-beskyttet celle forventes at forøge følsomheden Tyngdebølge-detektorer: Foto: Ola J. Joensen

”Tyngdebølge-detektorerne er det mest følsomme måleudstyr, mennesket til dato har fremstillet. Alligevel er detektorerne ikke så nøjagtige, som de kunne være – og det er lige præcis det, vi nu prøver at forbedre”, fortæller professor Eugene Polzik.

Sammen med en kollega, Farid Khalili fra LIGO-samarbejdet og fra det russiske Moscow State University, har Eugene Polzik offentliggjort en artikel i det videnskabelige tidsskrift Physical Review Letters, hvori de to forskere forklarer, hvordan de forestiller sig at forbedre de eksisterende tyngdebølge-detektorers nøjagtighed.

”Og det er ikke bare et teoretisk forslag”, siger Eugene Polzik: ”Vi tror faktisk på, at det her kommer til at fungere efter hensigten. Vores beregninger viser, at vi gerne skulle kunne forbedre tyngdebølge-detektorernes præcisionsmålinger med en faktor 2 - og lykkes det, bliver konsekvensen altså, at det volumen i rummet, udstyret kan undersøge, øges med en faktor 8”.

En lille glascelle

I juli 2017 kunne Eugene Polzik og hans medarbejdere på Quantop publicere en opsigtsvækkende artikel i Nature – og faktisk ligger netop dette arbejde til grund for de bestræbelser på at forbedre tyngdebølge-detektorerne, som nu går i gang.

Hvis laserlys, der bruges til at måle bevægelse af en vibrerende membran (til venstre), først overføres gennem en sky af atomer (i midten), kan målfølsomheden være bedre end de standardkvantumgrænser, som Bohr og Heisenberg forudså. Grafik: Bastian Leonhardt Strube og Mads Vadsholt

Artiklen i Nature drejede sig om at ’narre’ Heisenbergs Ubestemthedsprincip, som siger, at der findes en grænse for hvor præcist man på samme tid kan kende et objekts impuls (dvs.: dets masse gange hastighed) og dets position.

Forklaringen på denne begrænsning er, at man uundgåeligt kommer til at 'sparke' til et objekt så det flytter sig i tilfældige retninger, når man observerer det ved hjælp af lys. Det sker, fordi lyspartikler, fotoner, bumper ind i objektet - og dette fænomen, der kaldes Quantum Back Action (QBA), sætter grænser for, hvor præcist man kan måle på kvanteniveau.

Artiklen i Nature i sommeren 2017 vakte opsigt, fordi Eugene Polzik og hans medarbejdere kunne vise, at det i vid udstrækning faktisk er muligt at neutralisere QBA. Og når tyngdebølge-detektorerne, der også opererer med lys - nemlig med laserlys - ”ikke er så nøjagtige, som de kunne være”, som Eugene Polzik udtrykker det, skyldes det netop QBA.

Sagt meget forenklet kan man i vid udstrækning neutralisere QBA, hvis man først sender det lys, man bruger til observationer på kvanteniveau, gennem en form for ’filter’. Det var det, Nature-artiklen handlede om.

Det ’filter’, NBI-forskerne på Quantop havde udviklet og beskrev, var en sky af atomer af grundstoffet cæsium, som de havde lukket inde i en lille glascelle, der blot var 1 centimeter lang, 1/3 mm høj og 1/3 mm bred.

Det er lige præcis dette princip, som Polzik og hans medarbejdere nu vil prøve at bygge ind i udstyr til tyngdebølge-detektorer.


Ph.d.-studerende Tulio Brasil, postdoc Michael Zugenmaier og professor Eugene Polzik i laboratoriet på Blegdamsvej, hvor de eksperimentelle forsøg skal udføres. Foto: Ola J. Joensen

I teorien kan man optimere målingerne af tyngdebølger, hvis man bruger kraftigere laserlys, end man gør i dag i både Europa og USA.

 ”Problemet er bare”, siger professor Eugene Polzik, ”at kraftigere laserlys vil få to spejle i detektorerne, der er helt centrale i forbindelse med målingerne, til at ryste. Og det vil i virkeligheden bare skabe endnu større unøjagtighed, så den vej er ikke farbar”.

Tanken er derfor at lade det laserlys, der anvendes i tyngdebølge-detektorerne, passere gennem en særlig version af det ’filter’ i form af en indkapslet atomsky, som NBI forskerne allerede har gode erfaringer med, siger Eugene Polzik: ”Og det håber vi kommer til at virke efter hensigten”.

Link til videnskabelig artikel: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.031101

Eugene Polzik, professor og leder af Center for Kvanteoptik, Quantop på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, +45 3532-5424, polzik@nbi.dk