GEO600 erreicht ein Quetschniveau von 6 dB

Deutsch-britisches Instrument umschifft quantenmechanische Rauscheffekte besser als jeder Gravitationswellendetektor zuvor

27. Januar 2021

Gravitationswellen machen sich in den kilometergroßen Detektoren des internationalen Netzwerks (GEO600, KAGRA, LIGO, Virgo) durch winzige Längenänderungen bemerkbar. Diese Instrumente nutzen Laserlicht, um diese Effekte nachzuweisen und ihre Empfindlichkeit ist fundamental durch die Quantenmechanik begrenzt. Diese Limitierung manifestiert sich als allgegenwärtiges Hintergrundrauschen, das nie vollständig entfernt werden kann und das sich Gravitationswellensignalen überlagert. Man kann jedoch die Eigenschaften des Rauschens durch einen Prozess namens Quetschen so verändern, dass es die Messungen weniger stört. Jetzt haben die GEO600-Forscher:innen das höchste Quetschniveau hergestellt, das je in einem Gravitationswellendetektor erreicht wurde. Sie senkten das quantenmechanische Rauschen um bis zu einen Faktor zwei. Dies ist ein großer Schritt hin zu Detektoren der dritten Generation wie dem Einstein-Teleskop und dem Cosmic Explorer. Das GEO600-Team ist zuversichtlich, in Zukunft noch höhere Quetschniveaus zu erreichen.

GEO600 nimmt nun einen achtmal größeren Teil des Universums wahr

Das Hintergrundrauschen von GEO600: Die Querachse zeigt die Frequenz, die Hochachse die Stärke des Rauschens bei diesen Frequenzen. Je niedriger die Kurven liegen, desto weniger Rauschen ist vorhanden und desto besser sind Gravitationswellen messbar. Die baue Kurve zeigt das Rauschen ohne Quetschlichtquelle, die rote mit Quetschlichtquelle. Die Verbesserungen treten vor allem bei höheren Frequenzen auf.

Das Team vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) und dem Institut für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover hat zusammen mit Partnern der Cardiff University und der University of Glasgow das quantenmechanische Hintergrundrauschen um den Faktor 2 gesenkt, was die Wissenschaftler:innen als „Quetschniveau von 6 dB“ bezeichnen.

„Wir haben uns darauf konzentriert, die Quetschlicht-Quelle von GEO600 und ihre Schnittstelle zum Detektor zu optimieren und zu charakterisieren. Im Vergleich zu einem Detektor ohne Quetschlicht hat sich das beobachtbare Volumen des Universums bei hohen Frequenzen nun um den Faktor 8 erhöht. Das könnte helfen, unser Verständnis von Neutronensternen zu verbessern“, sagt Dr. James Lough, leitender Wissenschaftler bei GEO600 und Erstautor der Veröffentlichung, die in Physical Review Letters erschienen ist.

Das Forschungsteam erreichte den neuen Rekord mit neu entwickelten und extra für diesen Zweck angefertigten optischen Komponenten und durch die Optimierung des optischen Aufbaus der Quetschlichtquelle und der Einspeisung des Quetschlichts in den Detektor.

Pionierarbeit bei GEO600

Blick in das Zentralgebäude von GEO600, wo viele der fortschrittlichen Detektortechnologien entwickelt und getestet werden.

„Die Mitglieder des deutsch-britischen GEO600-Teams sind Quetschlicht-Pioniere. Seit 2010 nutzen wir routinemäßig gequetschtes Licht und waren bis zum Beginn von O3 im April 2019 das einzige Instrument weltweit, das dies tat“, erklärt Dr. Christoph Affeldt, Betriebsleiter von GEO600. „Die maßgeschneiderte Quetschlichtquelle für GEO600 wurde am AEI in Hannover entwickelt und gebaut. Mehrere GEO600-Doktorand:innen haben zusammen mit Quetschlicht-Expert:innen des AEI diesen Rekord möglich gemacht.“

Der Schlüssel zum Erreichen immer höherer Quetschniveaus ist eine direkte und verlustfreie Integration des „Squeezers“ in den Detektor, da gequetschtes Licht sehr empfindlich ist. Das Team konzentrierte daher seinen Bemühungen in letzter Zeit auf diese Aspekte. Während die Verwendung von Quetschlicht die Empfindlichkeit von GEO600 potenziell um ein Vielfaches erhöhen kann, kann schon der kleinste Verlust auf dem Weg in den Detektor diese Verbesserung zunichte machen. Auf diese Weise können viele kleine Verbesserungen zusammen zu einer großen Empfindlichkeitszunahme führen.

Auf dem Weg zu Detektoren der dritten Generation

„Die internationale Gemeinschaft plant derzeit die dritte Generation der Gravitationswellen-Detektoren: das europäische Einstein-Teleskop und den Cosmic Explorer in den USA. Beide werden noch höhere Quetschniveaus benötigen als die beeindruckenden Ergebnisse, die wir erzielt haben. GEO600 ist in einer idealen Position, um diese Technologie weiter zu verbessern“, sagt Prof. Karsten Danzmann, Direktor am AEI und Leiter des Instituts für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover. „Wir sind zuversichtlich, dass wir mit GEO600 das für zukünftige Gravitationswellen-Detektoren erforderliche Quetschniveau von 10 dB erreichen können.“

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