Quantum noise and torque correlations in a torsion-bar Sagnac speed meter
Questo articolo dimostra che nel misuratore di velocità Sagnac a barra di torsione CHRONOS, le fluttuazioni del vuoto che entrano attraverso gli specchi debolmente trasmissivi posti dietro le masse di prova dominano il rumore quantistico a bassa frequenza e degradano significativamente la sensibilità, rivelando che la sola forte cancellazione della coppia è insufficiente per garantire le prestazioni ottimali del rivelatore.
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Nel profondo del silenzio dell'universo, increspature invisibili nel tessuto dello spazio-tempo viaggiano attraverso il cosmo, portando con sé le storie di buchi neri in collisione e della nascita delle stelle. Per ascoltare questi sussurri, gli scienziati costruiscono strumenti così sensibili da poter rilevare una variazione di distanza inferiore a un singolo atomo su una distanza di chilometri. Questi dispositivi, noti come rilevatori di onde gravitazionali, funzionano dividendo un raggio laser e inviandolo lungo due percorsi lunghi. Se un'onda gravitazionale passa attraverso, allunga un percorso e comprime l'altro, cambiando il modo in cui le onde luminose si ricombinano. Sebbene gli attuali rilevatori abbiano già aperto una nuova finestra sull'universo, essi faticano ad ascoltare le note più basse e profonde della sinfonia cosmica. Per ascoltare queste frequenze più basse, i ricercatori stanno progettando un nuovo tipo di rilevatore che non misura direttamente l'allungamento dello spazio, ma misura invece la velocità con cui barre pesanti e sospese ruotano in risposta alle onde passanti.
La sfida con questi nuovi strumenti è che l'atto stesso di misurarli con la luce crea un disturbo. La luce laser stessa è composta da minuscoli pacchetti di energia che arrivano in un flusso irregolare e imprevedibile. Quando questi pacchetti colpiscono le barre pesanti, le spingono, creando un tremolio casuale che può sommergere il debole segnale di un'onda gravitazionale. Questo è noto come rumore quantistico. Per superare questo problema, i progettisti di un proposto rilevatore chiamato CHRONOS utilizzano un trucco astuto che coinvolge una specifica disposizione di specchi e percorsi di luce, nota come interferometro di Sagnac. Questa configurazione è progettata per cancellare la spinta casual even della luce, permettendo al rilevatore di ascoltare con maggiore chiarezza. Tuttavia, un nuovo studio di un team di fisici rivela che questa astuta cancellazione non è tutta la storia. Anche quando la fonte principale di questa spinta casuale viene soppressa, una fonte nascosta di rumore rimane, appostata nei minuscoli spazi tra gli specchi stessi.
I ricercatori si sono concentrati sugli specchi che si trovano alle estremità e al centro dei percorsi di luce all'interno degli anelli del rilevatore. Nel design ideale, questi specchi sono quasi perfettamente riflettenti, lasciando passare solo una frazione minima di luce. Il team si è reso conto che la luce che riesce a passare, o lo spazio vuoto che esiste dietro questi specchi, permette a fluttuazioni quantistiche invisibili di entrare nel sistema dal retro. Queste fluttuazioni non sono solo un debole ronzio di sottofondo; sono una forza dominante. Nella loro analisi dettagliata, il team ha scoperto che a una frequenza di 0,1 hertz, questi campi in ingresso dal retro contribuiscono per quasi il 90 percento alla potenza totale del rumore quantistico. Se un progettista ignorasse questi campi e guardasse solo l'ingresso principale del laser, sottostimerebbe gravemente il rumore, pensando che il rilevatore sia molto più sensibile di quanto non sia in realtà. Nello specifico, omettere questi campi posteriori porterebbe a un errore in cui il livello di rumore è sottostimato di un fattore superiore a tre.
Per capire perché ciò accada, bisogna osservare come agiscono le forze sulle barre sospese. Il rilevatore funziona misurando la torsione, o coppia, di una barra causata dalla differenza di forza tra le sue due estremità. Il design Sagnac è eccellente nel cancellare le forze che spingono equamente su entrambe le estremità, ma le fluttuazioni quantistiche che entrano dal retro non sempre spingono in un modo che si cancella perfettamente. I ricercatori hanno calcolato come queste forze casuali provenienti dai campi del vuoto posteriori viaggiano attraverso il sistema, influenzando la rotazione della barra e la misurazione finale. Hanno scoperto che, anche se le forze sui lati sinistro e destro della barra potrebbero sembrare bilanciate, la complessa tempistica e correlazione delle fluttuazioni luminose fanno sì che una quantità significativa di rumore riesca comunque a passare. È un po' come cercare di mettere a tacere una stanza chiudendo la porta anteriore, solo per rendersi conto che la porta posteriore è spalancata e lascia entrare un vento forte che la porta anteriore non era destinata a bloccare.
Il team ha anche testato se cambiare gli specchi potesse risolvere il problema. Si sono chiesti se sostituire la piccola quantità di luce che attraversa gli specchi con una piccola quantità di luce che viene assorbita dagli specchi avrebbe aiutato. In questo scenario, gli specchi rifletterebbero la stessa quantità di luce, ma invece di lasciare passare un po' di luce dall'altra parte, la assorbirebbero. I ricercatori hanno scoperto che questo cambiamento non faceva quasi alcuna differenza al livello di rumore. Il rumore quantistico derivante dall'assorbimento era quasi identico al rumore derivante dalla trasmissione. Ciò significa che semplicemente rendere gli specchi più assorbenti non risolve il problema fondamentale; il rumore è intrinseco al modo in cui la luce interagisce con il sistema meccanico, indipendentemente dal fatto che passi attraverso di esso o venga assorbito.
Lo studio fornisce una tabella di marcia chiara per la costruzione di questi futuri rilevatori. Dimostra che, per raggiungere la sensibilità necessaria per ascoltare l'universo a bassa frequenza, gli ingegneri non possono fare affidamento esclusivamente sull'ingresso principale del laser o sulla cancellazione delle forze nella parte anteriore degli specchi. Devono tenere conto dei campi del vuoto che entrano dal retro degli specchi alle estremità e al centro dei percorsi di luce. I ricercatori hanno sviluppato un modello matematico preciso che traccia questi campi e i loro effetti, confermando le loro scoperte con simulazioni al computer indipendenti. Il loro lavoro stabilisce che i campi del vuoto posteriori sono un fattore limitante per la sensibilità di questo tipo di rilevatore. Affinché il progetto abbia successo, gli specchi e i sistemi di lettura devono essere progettati tenendo conto di questi specifici, e spesso trascurati, contributi quantistici. Senza affrontare questa fonte nascosta di rumore, il rilevatore non raggiungerà mai la quiete necessaria per ascoltare le increspature profonde e lente del cosmo.
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