La meccanica quantistica non descrive solo come funziona il mondo nelle sue scale più piccole, ma influenza anche il movimento di oggetti macroscopici. Un gruppo di ricerca internazionale, tra cui quattro scienziati dell'MPI per la fisica gravitazionale (Albert-Einstein-Institut/AEI) e dell'Università Leibniz di Hannover, Germania, ha mostrato come possono influenzare il movimento degli specchi, ciascuno di peso superiore a 40 kg, nel rivelatore di onde gravitazionali Advanced Virgo attraverso l'uso deliberato della meccanica quantistica. Al centro del loro esperimento pubblicato oggi in Lettere di revisione fisica è una sorgente di luce schiacciata, sviluppato e costruito presso l'AEI di Hannover, che genera radiazioni laser appositamente sintonizzate e migliora la sensibilità di misurazione del rilevatore durante le sessioni di osservazione.

Il mondo della meccanica quantistica delle probabilità e delle incertezze governa anche il comportamento dei rivelatori di onde gravitazionali delle dimensioni di un chilometro Advanced LIGO, Vergine avanzata, e GEO600. La sensibilità di questi strumenti di alta precisione alle onde gravitazionali ha causato, Per esempio, da fusioni di buchi neri distanti, è attualmente limitato dal rumore di fondo della meccanica quantistica.

L'incertezza di Heisenberg limita i rivelatori

Nei rivelatori, la luce laser viene utilizzata per misurare con la massima precisione la posizione relativa degli specchi a chilometri di distanza. Anche in assenza di segnali di onde gravitazionali o sorgenti di rumore, queste misurazioni della posizione dello specchio mostrerebbero un leggero tremolio.

La ragione di ciò è il principio di indeterminazione di Heisenberg. Secondo questo caposaldo della meccanica quantistica, misurazioni simultanee di due grandezze correlate sono impossibili con una precisione arbitraria; sono sfocate, o incerto. Però, l'imprecisione di misura di una delle due grandezze può essere ridotta, ma solo a scapito di una maggiore imprecisione nella misurazione dell'altra grandezza.

Nei rivelatori di onde gravitazionali il rumore di sparo, il picchiettio delle particelle di luce che arrivano casualmente e irregolarmente, è solitamente ridotto. Questo trucco è necessario perché questo rumore di fondo meccanico quantistico limita la sensibilità dei rivelatori alle alte frequenze di misurazione con cui ascoltano il cosmo.

Non esiste una cosa come un pranzo gratis

Secondo la relazione di indeterminazione, però, la riduzione del rumore di sparo si traduce in un aumento del rumore della pressione di radiazione:la forza con cui il flusso di particelle luminose spinge sugli specchi fluttua più fortemente. Di conseguenza, gli specchi si muovono avanti e indietro di più, semplicemente a causa degli effetti della meccanica quantistica.

"Non esiste una cosa come un pranzo gratis:se riduci il rumore di fondo della meccanica quantistica alle alte frequenze usando le attuali sorgenti di luce schiacciata, paghi un prezzo. E questo prezzo è un aumento del rumore quantico, e quindi una minore precisione di misurazione, a frequenze più basse, " spiega Moritz Mehmet, ricercatore presso l'AEI Hannover.

Gli specchi massicci si muovono

Fino ad ora, altre fonti di rumore tecnico hanno nascosto questo aumento del rumore della pressione di radiazione nei rivelatori di onde gravitazionali. Solo ora, durante la terza sessione di osservazione di Advanced LIGO e Advanced Virgo (da aprile 2019 a marzo 2020) questa rilevazione è diventata una possibilità utilizzando sorgenti di luce compressa e riducendo altre sorgenti di rumore.

"Se usiamo una luce particolarmente forte, vediamo chiaramente un jitter aggiuntivo degli specchi da 42 chilogrammi nel rivelatore Advanced Virgo, oggetti davvero macroscopici, a basse frequenze. Ciò è dovuto agli effetti della meccanica quantistica, "dice Henning Vahlbruch, ricercatore presso l'AEI Hannover.

Questa nuova misurazione è possibile solo perché i ricercatori sono in grado di determinare le fluttuazioni delle posizioni dello specchio a meno di un millesimo di diametro del protone. Le precedenti misurazioni di questo effetto in esperimenti di laboratorio hanno utilizzato masse 10 milioni di volte più leggere degli specchi Advanced Virgo.

Pioniere della luce schiacciata GEO600

Dal 2010, il rilevatore tedesco-britannico GEO600 ha utilizzato una sorgente di luce compressa. GEO600 svolge un ruolo pionieristico in questo campo. Nella terza sessione di osservazione congiunta (aprile 2019 fino a fine marzo 2020), anche i due rivelatori Advanced LIGO e il rivelatore Advanced Virgo utilizzavano la luce compressa. Allo strumento Advanced Virgo, è in uso una sorgente di luce spremuta sviluppata e costruita presso l'AEI di Hannover sulla base del progetto testato al GEO600.

Nel futuro, le sorgenti di luce schiacciata dovranno essere modificate per aumentare ulteriormente la sensibilità dei rivelatori di onde gravitazionali. La radiazione laser accuratamente sintonizzata che generano non deve più essere la stessa a tutte le frequenze. Le sue proprietà devono essere regolate in modo da ridurre il rumore meccanico quantistico sia alle alte che alle basse frequenze. Lo sviluppo di questa compressione dipendente dalla frequenza è già in corso nella comunità mondiale di ricercatori di onde gravitazionali, tra cui GEO600. Due gruppi hanno mostrato le prime dimostrazioni sperimentali di successo nella primavera del 2020.