Анализ чувствительности лазерных гравитационных антенн с оптической жестокостью тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат физико-математических наук Лазебный, Владимир Иванович

• Лазебный, Владимир Иванович
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Лазебный, Владимир Иванович

ВЫВОДЫ

1. Доказана возможность преодоления стандартного квантового предела в лазерной гравитационно-волновой антенне с помощью внесения ма-лошумящей оптической жесткости. Важно, что требуемая для этого мощность (порядка 600 кВт) меньше, чем запланированная в проекте Advanced LIGO (800 кВт).

2. Показано, что чувствительность лазерной гравитационно-волновой антенны с оптической жесткостью, вносимой зеркалом рециркуляции сигнала, может быть больше чувствительности стандартного квантового предела в 10 раз в полосе AQ/Ü ~ 0.2 или в 3 раза в полосе AÜ/Í2 ~ 0.4.

3. Проанализирован случай двойного резонанса, при котором выигрыш в чувствительности максимален. Показано, что при этом в отличие от обычного резонанса отношение сигнала к шуму в конечной полосе обратно пропорционально ширине полосы.

4. Оптические потери, присутствующие в зеркалах интерферометра типа Advanced LIGO с оптической жесткостью, незначительно уменьшают чувствительность (на 5 - 10%).

5. Показано, что использование оптического трансформатора смещений позволяет преодолеть стандартный квантовый предел чувствительности лазерной гравитационной антенны в более широкой полосе частот по сравнению со стандартной схемой плеча интерферометра Майкель-сона с оптической жесткостью.

БЛАГОДАРНОСТИ

В заключение я хотел бы выразить свою искреннюю признательность многим людям, благодаря которым я имел возможность заниматься научной деятельностью и выполнять эту диссертационную работу. В первую очередь я хотел бы поблагодарить моего научного руководителя Сергея Петровича Вятчани-на за предложенные интересные темы исследования, постоянное внимание и содействие в работе. Также я хочу сказать огромное спасибо Владимиру Борисовичу Брагинскому, Фариду Явдатовичу Халили, Юрию Ивановичу Воронцову, Валерию Павловичу Митрофанову, Игорю Антоновичу Биленко и Михаилу Леонидовичу Городецкому за плодотворные дискуссии и консультации, а также Сергею Евгеньевичу Стрыгину и Штефану Леонтьевичу Дани-лишину за полезные советы и дружескую поддержку. Большое спасибо всем сотрудникам кафедры физики колебаний за приобретенные знания и доброжелательное отношение.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Лазебный, Владимир Иванович, 2011 год

1. A. Einstein. Kosmologische betrachtungen zur allgemeinen relativitatstheo-rie // Sitzungsber. Konigl. Preuss. Akad. Wiss. — 1917. — Vol. 1. — Pp. 142152.

2. Л. Д. Ландау, E. M. Лифшиц. Курс теоретической физики, том 2. Теория поля. — Наука, 1973.

3. С. Cutler and K.S. Thome, in proceedings of the 16th international conference on general relativity and gravitation. — 2001.

4. R.A. Hulse and J.H. Taylor. Discovery of a pulsar in a binary system // Astrophys. J. 1975. - Vol. 195. - Pp. L51-L53.

5. J. Weber. Gravitational-wave-detector events // Phys. Rev. Lett. — 1968. — Vol. 20. Pp. 1307-1308.

6. M. Cerdonio et al. The ultracryogenic gravitational wave detector auriga // Class. Quantum Grav. 1997. - Vol. 14. - Pp. 1491-1494.

7. P. Astone et al. Explorer and nautilus gravitational wave detectors: a status report // Class. Quantum Grav. 2008.- Vol. 25.- P. 114048 (8pp).

8. E. Coccia, V. Fafone, G. Frossati, J.A. Lobo and J.A. Ortega. A hollow sphere as a detector of gravitational radiation // Phys.Rev. D.~~ 1998.— Vol. 57.-Pp. 2051-2060.

9. M. Cerdonio, L. Conti, J. A. Lobo, A. Ortolan, L. Taffarello, and J. P. Zendri. Wideband dual sphere detector of gravitational waves // Phys. Rev. Lett. 2001. - Vol. 87. - P. 031101.

10. Герценштейн M.E, Пустовойт В.И. On the detection of low-frequency gravitational waves // ЖЭТФ. 1962. - Vol. 16. - P. 433.

11. The LIGO Scientific Collaboration. Setting upper limits on the strength of periodic gravitational waves using the first science data from the geo600 and ligo detectors. — 2003.

12. The LIGO Scientific Collaboration. Analysis of ligo data for gravitational waves from binary neutron stars. — 2003.

13. LIGO Scientific Collaboration. First upper limits from ligo on gravitational wave bursts. — 2003.

14. LIGO Scientific Collaboration. Analysis of first ligo science data for stochastic gravitational waves. — 2003.

15. A.Abramovici et al. Ligo: The laser interferometer gravitational-wave observatory // Science. 1992. - Vol. 256. - P. 325.

16. Daniel Sigg et al. Status of the ligo detectors // Class. Quantum Grav. — 2008,-Vol. 25.-P. 114041 (8pp).

17. LIGO website, http://www.ligo.caltech.edu.

18. F. Acernese et al. Status of virgo // Class. Quantum Grav. — 2008. — Vol. 25.-P. 114045 (8pp).

19. VIRGO website, http://www.virgo.infn.it.

20. H. Grote et al. The status of geo 600 // Class. Quantum Grav. — 2008.— Vol. 25.-P. 114043 (9pp).

21. GEO website, http://www.geo600.uni-hannover.de.

22. R. Takahashi et al Operational status of tama300 with the seismic attenuation system (sas) // Class. Quantum Grav. — 2008. — Vol. 25,- P. 114036 (8pp).

23. TAMA website, http://tamago.mtk.nao.ac.jp.

24. LIGO Scientific Collaboration, TAMA Collaboration. Joint ligo and tama300 search for gravitational waves from inspiralling neutron star binaries // Phys. Rev. D. 2006. - Vol. 73. - P. 102002.

25. AURIGA Collaboration, LIGO Scientific Collaboration: L. Baggio et al. A joint search for gravitational wave bursts with auriga and ligo. // Class. Quantum Grav. 2008. - Vol. 25. - P. 095004.

26. F Acernese et al. First joint gravitational wave search by the auriga-explorer-nautilus-virgo collaboration // Class. Quantum Grav.— 2008. Vol. 25. - P. 205007 (20pp).

27. В.Б. Брагинский, М.Б. Менский. Высокочастотное детектирование гравитационных волн. // Письма в ЖЭТФ. — 1971. — Vol. 13. — Pp. 585587.

28. Н. Muller-Ebhardt, Н. Rehbein, R. Schnabel, К. Danzmann and Y. Chen. Entanglement of macroscopic test masses and the standard quantum limit in laser interferometry // Phys. Rev. Lett. 2008. - Vol. 100. - P. 013601.

29. V.I. Denisov, I.V. Krivchenkov, N.V. Kravtsov. Experiment for measuring the post-maxwellian parameters of nonlinear electrodynamics of vacuum with laser-interferometer techniques // Phys. Rev. D. — 2004. — Vol. 69. — P. 066008.

30. G. Zavattini, E. Calloni. Probing for new physics and detecting non linear vacuum qed effects using gravitational wave interferometer antennas.

31. Y.Levin. Internal thermal noise in the ligo test masses: A direct approach // Phys. Rev D. 1998. - Vol. 57. - P. 659.

32. F.Bondu, P.Hello and J.-Y. Vinet. Thermal noise in mirrors of interferometric gravitational wave antennas // Physics Letters A. — 1998. — Vol. 246. — Pp. 227-236.

33. Y.T.Liu and K.S.Thome. Thermoelastic noise and homogeneous thermal noise in finite sized gravitational wave test masses // Phys. Rev D. — 2000. — Vol. 62. P. 122002.

34. H.B.Callen and T.A.Welton. Irreversibility and generalized noise // Phys.Rev. 1951. - Vol. 83. - P. 34.

35. K.Numata et al. Thermal-noise limit in the frequency stabilization of lasers with rigid cavities // Phys. Rev. Lett 2004. - Vol. 93. - P. 250602.

36. G.M.Harry et al. Titania-doped tantala/silica coatings for gravitational-wave detection // Class. Quantum Grav. — 2007. — Vol. 24,— Pp. 405-415.

37. V. B. Braginsky, M. L. Gorodetsky and S. P. Vyatchanin. Thermodynamical fluctuations and photo-thermal shot noise in gravitational wave antennae // Phys. Lett. A. 1999. - Vol. 264. - Pp. 1-10.

38. V.B.Braginsky, M.L. Gorodetsky and S.P. Vyatchanin. Thermo-refractive noise in gravitational wave antennae // Phys. Lett. A. — 2000. — Vol. 271. — P. 303.

39. M. Evans, S. Ballmer, M. Fejer, P. Fritschel, G. Harry, G. Ogin. Thermo-optic noise in coated mirrors for high-precision optical measurements.

40. K.Yamamoto et al. Study of the thermal noise caused by inhomogeneously distributed loss // Physics Letters A. 2001. - Vol. 280. - Pp. 289-296.

41. A.Yu.Ageev, I.A.Bilenko, V.B.Braginsky, S.P. Vyatchanin. Measurement of excess noise in the suspension fiber for a gravitational wave detector // Physics Letters A. 1997. - Vol. 227. - P. 159.

42. A. Yu.Ageev; I.A.Bilenko, V.B.Braginsky. Excess noise in the steel suspension wires for the laser gravitational wave detector // Physics Letters A. — 1998. — Vol. 246. P. 479.

43. D.Shoemaker, D.Coyne. Ligo ii seismic isolation design requirements document. 1999. - Internal document LIGO-E990303-01-D.

44. R.Abbott et al. Seismic isolation enhancements for initial and advanced ligo // Class. Quantum Grav. 2004. - Vol. 21. - Pp. S915-S921.

45. S.A.Hughes and K.S.Thorne. Seismic gravity-gradient noise in interferomet-ric gravitational-wave detectors // Physical Review D. — 1998. — Vol. 58. — P. 122002.

46. Kip S. Thome, Carolee J. Winstein. Human gravity-gradient noise in inter-ferometric gravitational-wave detectors // Phys. Rev. D. — 1999. — Vol. 60. — P. 082001.

47. Teviet Creighton. Tumbleweeds and airborne gravitational noise sources for ligo // Class. Quantum Grav. 2008. - Vol. 25. - P. 125011 (22pp).

48. H. J. Kimble, Benjamin L. Lev, Jun Ye. Optical interferometers with reduced sensitivity to thermal noise.

49. V.B.Braginsky, Y.I.Vorontsov, K.S. Thome. Quantum-nondemolition measurements // Science. — 1980. — Vol. 209. P. 547.

50. V.B.Braginsky, Yu.I.Vorontsov, F.Ya.Khalili. Optimal quantum measurements in detectors of gravitational radiation // Sov. Phys. JETP Lett. — 1978. Vol. 27. - P. 276.

51. S.P. Vyatchanin, E.A.Zubova. Quantum variation measurement of a force // Physics Letters A. 1995. - Vol. 201. - P. 269.

52. S.P. Vyatchanin. The estimation of signal force parameters in quantum variation measurement // Physics Letters A. — 1998. — Vol. 239. — Pp. 201-208.

53. В.Б.Брагинский, А.Б.Манукин. О пондеромоторных эффектах электромагнитного излучения. // ЖЭТФ. — 1967. — Vol. 52. — Р. 986.

54. В.Б.Брагинский, А.Б.Манукин, М.Ю.Тихонов. Исследование диссипативных пондеромоторных эффектов электромагнитного поля. // ЖЭТФ. 1970. - Vol. 58. - Р. 1550.

55. V.B.Braginsky, F. Ya.Khalili. Low noise rigidity in quantum measurements // Physics Letters A. 1999. - Vol. 257. - P. 241.

56. V.B.Braginsky, F. Ya.Khalili, S.P. Volikov. The analysis of table-top quantum measurement with macroscopic masses // Physics Letters A. — 2001. — Vol. 287.-P. 31.

57. A.Buonanno and Y.Chen. Quantum noise in second generation, signal-recycled laser interferometric gravitational-wave detectors // Phys. Rev. D. — 2001,-Vol. 64. — P. 042006.

58. A.Buonanno and Y.Chen. Signal recycled laser-interferometer gravitational-wave detectors as optical springs // Phys. Rev. D.— 2002,— Vol. 65.— P. 042001.

59. J.Harms, Y.Chen, S.Chelkowski, A.Franzen, H.Vahlbruch, K.Danzmann, R.Schnabel. Squeezed-input, optical spring, signal-recycled gravitational wavedetectors // Phys. Rev. D. 2003. - Vol. 68. - P. 042001.

60. A. Buonanno, Y.Chen. Improving the sensitivity to gravitational-wave sources by modifying the input-output optics of advanced interferometers // Phys. Rev. D. 2004. - Vol. 69. - P. 102004.

61. C.M.Caves and B.L.Schumaker. New formalism for two-photon quantum optics, i. quadrature phases and squeezed states // Phys.Rev.A. — 1985.— Vol. 31.-P. 3068.

62. B.L.Schumaker and C.M.Caves. New formalism for two-photon quantum optics. ii. mathematical foundation and compact notation // Phys.Rev.A.— 1985.- Vol. 31.- P. 3093.

63. V.I.Lazebny, S.P.Vyatchanin. Optical rigidity in signal-recycled configurations of laser gravitational-wave detectors // Physics Letters A. — 2005. — Vol. 344. Pp. 7-17.

64. F.Ya.Khalili. Frequency-dependent rigidity in large-scale interferometric gravitational-wave detectors // Physics Letters A.— 2001.— Vol. 288.— Pp. 251-256.

65. H. Rehbein, H. Muller-Ebhardt, K. Somiya, C. Li, R. Schnabel, K. Danz-mann, Y. Chen. Local readout enhancement for detuned signal-recycling interferometers // Phys. Rev. D. 2007. - Vol. 76. - P. 062002.

66. H.Rehbein, H.Mueller-Ebhardt, K.Somiya, S.L. Danihshin, R.Schnabel, K.Danzmann, Y.Chen. Double optical spring enhancement for gravitational wave detectors // Phys. Rev. D. 2008. - Vol. 78. - P. 062003.

67. F. Ya.Khalili. Low quantum noise tranquilizer for fabry-perot interferometer // Physics Letters A. 2001. - Vol. 288. - P. 251.

68. V.B.Braginsky, F.Ya.Khalili. Quantum measurement / Ed. by K.S.Thorne. — Cambridge University Press, 1992.

69. H.J, Kimble, Yu. Levin, A.B. Matsko, K.S. Thome and S.P. Vyatchanin. Conversion of conventional gravitational-wave interferometers into qnd interferometers by modifying input and/or output optics // Phys. Rev. D.— 2001. — Vol. 65.-P. 022002.

70. Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

71. V.I. Lazebny, S.P. Vyatchanin, «Optical rigidity in signal-recycled configurations of laser gravitational-wave detectors», Physics Letters A, Vol. 344, pp. 7-17, (2005);

72. F.Ya. Khalili, V.I. Lazebny, S.P. Vyatchanin, «Sub-SQL sensitivity via optical rigidity in the advanced LIGO interferometer with optical losses», Phys. Rev. D 73, 062002 (2006);

73. V.I. Lazebny, S.P. Vyatchanin, «Displacement transformer in laser gravitational-wave detectors», Physics Letters A, Vol. 372, Issue 44, (2008);

74. В.И. Лазебный, С.П. Вятчанин, «Оптическая жесткость в лазерных гравитационных детекторах с рециркуляцией сигнала», Известия Российской Академии Наук. Серия физическая, 2005, том 70, № 3, с. 327-334