세계 최대 중력파 관측소, 양자 한계 너머로 빛을 쥐어짜다

레이저 간섭계 중력파 관측소의 연구원들은 양자 잡음보다 약한 신호를 증폭시키기 위해 주파수 의존 압착이라는 새로운 기술을 사용했습니다. 세계 최대 중력파 관측소의 과학자들이 주요 양자 한계를 넘어서는 빛을 압착했습니다. 주파수 의존형 압착이라고 불리는 새로운 기술은 레이저 간섭계 중력파 관측소가 감지할 수 있는 시공간의 작은 잔물결 수를 늘려 감지기가 찾을 수 있는 중성자별과 블랙홀 충돌의 수를 늘립니다.

 

공동 저자 이자 캘리포니아 공과대학 물리학과 조교수인 리 맥컬러는 성명에서 "이제 우리는 이 양자 한계를 넘어섰으므로 더 많은 천문학을 할 수 있게 됐습니다"라고 말했습니다. 질량을 가진 물체가 우주를 이동할 때 중력파는 파문을 일으킵니다. 중성자별이나 블랙홀과 같은 더 큰 물체는 더 두드러진 중력파를 생성합니다. 과학자들은 2015년에 이러한 시공간 파동을 처음으로 감지했으며, 우주 해안에 부딪힐 때 파도를 발견하는 데 꾸준히 더 능숙해졌습니다.

 

레이저 간섭계 중력파 관측소 검출기는 우주의 잔물결이 통과할 때 시공간을 왜곡하는 방식으로 이를 발견합니다. 두 개의 교차하는 L자형 탐지기로 구성되어 있으며 각각 2.48마일 길이(4km)의 팔 2개와 내부에 동일한 레이저 빔 2개가 있습니다. 이 실험은 중력파가 지구를 통과할 경우 한쪽 팔의 레이저 광선이 감지기의 한쪽은 압축되고 다른 쪽은 팽창하여 감지기에 도달하는 빔의 상대 경로 길이에 작은 변화가 생깁니다.

 

그러나 이러한 왜곡은 매우 작기 때문에(종종 양성자나 중성자의 수천분의 1 크기) LIGO의 검출기는 엄청나게 민감할 것입니다. 사실 너무 민감해서 가장 정확한 측정값이 양자 효과로 인한 잡음이나 아원자 입자의 자발적인 상호작용으로 인해 흐릿해졌습니다. 고주파 소음은 무작위로 튀어나오고 사라지는 작은 입자에서 발생합니다. 저주파 소음은 반사되는 빛 입자의 울림으로 인해 거울이 흔들리게 됩니다. 두 소스 모두 LIGO가 감지할 수 있는 중력파의 수와 유형을 제한합니다.

 

이러한 양자적 한계를 극복하기 위해 물리학자들은 물리학의 또 다른 원리인 하이젠베르크의 불확정성 원리로 전환했습니다. 이 원리는 입자의 물리적 특성의 특정 쌍을 설정된 확실성 수준까지만 동시에 알 수 있다고 명시합니다.

 

이는 과학자들이 레이저 간섭계 중력파 관측소 내부의 빛의 진폭 또는 전력과 주파수를 얼마나 잘 측정할 수 있는지에 대한 상충관계가 있음을 의미하지만, 이는 또한 다른 속성을 희생하여 두 속성 중 하나를 증폭시킬 수 있음을 의미합니다. 물리학자들은 개별 광자 또는 빛 패킷을 두 개의 얽힌 광자로 분할하는 결정을 사용하여 빛의 진폭이나 주파수 뒤에 있는 불확실성을 필요에 따라 "압착"할 수 있도록 빛을 조정했습니다.

 

주파수에 따른 압착은 풍선을 꼬집는 것과 약간 비슷하다고 연구원들은 말합니다. 풍선의 한쪽 끝을 꼬집으면 다른 쪽 끝이 더 커지는 것처럼, 빛의 한 가지 특성을 더 확실하게 알기 위해 꼬집으면 전체 불확실성이 다른 쪽 끝으로 이동합니다. 이는 저주파에서 압착된 진폭이 거울 울림으로 인한 잡음을 줄이고, 고주파에서 압착된 위상이 양자 섭동으로 인한 잡음보다 신호를 더 강하게 만든다는 것을 의미합니다.

 

공동 저자이자 매사추세츠공대학원생인 드루바 가나파시는 "우리가 정말 멋진 양자 작업을 하고 있는 것은 사실이지만, 진짜 이유는 이것이 레이저 간섭계 중력파 관측소의 감도를 향상시키는 가장 간단한 방법이기 때문"이라고 말했습니다. 그렇지 않으면 레이저를 켜야 하는데 그 자체로 문제가 있습니다. 아니면 거울의 크기를 크게 늘려야 하므로 비용이 많이 듭니다.