Elõször mértek kvantummechanikai hatásokat az Advanced Virgo és a LIGO gravitációshullám-detektorokban. A kvantummechanika nemcsak azt írja le, hogyan mûködik a világ a legkisebb méretskálán, hanem a makroszkopikus tárgyaknak, mint a Virgo interferométer 42 kg-os tükreinek mozgását is befolyásolja. A gravitációs hullámok észleléséhez a Virgo és a LIGO detektorok a karhosszuk olyan apró változásait mérte, amelyek a protonátmérõ ezredrészének nagyságába esik.

A két detektor lézerfény segítségével, a legnagyobb pontossággal méri az egymástól kilométerekre lévõ tükrök távolságát. Emiatt ezeket a tükröket a lehetõ legnagyobb nyugalomban tartják és védik minden lehetséges emberi vagy környezeti eredetû zajtól. A tükrök relatív helyzetének mérései még gravitációshullám-jelek vagy zajforrások hiányában is enyhe rázkódást mutatnak. Ez az úgynevezett sörétzajnak, vagyis a véletlenszerûen és szabálytalan mintázatban érkezõ fényrészecskéknek köszönhetõ. Mind a Virgóban, mind a LIGO-ban, a harmadik megfigyelési idõszak (O3) során a fény „összenyomásával” csökkentették ezt a zajt, egy adott kvantumoptikai módszer alkalmazásával. Ennek az eljárásnak is megvan azonban az ára.

A kvantummechanika egyik alaptörvényének, a Heisenberg-féle határozatlansági elvnek az alapján a csökkentett sörétzaj növeli a sugárnyomásból eredõ zajt: azt az erõsen ingadozó erõt, amellyel a fényrészecskék a tükrökre hatnak. Ennek eredményeként, az egyenként 42 kg-os tükrök a kvantummechanika hatások következtében elõre-hátra mozognak. Valójában a sörétzaj magas frekvencián befolyásolja a detektor érzékenységét, míg a sugárnyomás zaja az alacsonyabb frekvenciájú jelek mérésére van hatással. Ebbõl a zsákutcából nem könnyû kijutni. Ha a detektorok érzékenységét magas frekvenciákon növelik, tehát egy adott típusú gravitációshullám-forrást céloznak meg, az alacsony frekvenciájú jeleket kevésbé lesznek képesek azonosítani.

„A hannoveri Albert Einstein Intézettel való együttmûködésnek köszönhetõen” - magyarázza Jean Pierre Zendri, az olasz Nemzeti Fizikai Kutatóintézet (INFN) padovai kutatója és a Virgo együttmûködés tagja, „egyértelmû bizonyítékot találtunk a nagy tömegû detektortükrök sugárnyomásból eredõ zajára. Ez az Advanced Virgo rendkívüli érzékenységének köszönhetõ, amely lehetõvé teszi számunkra, hogy a tükör helyzetének ingadozását a proton átmérõjének ezred részénél kisebb pontossággal tudjuk mérni.” A kutatások eredményei most jelentek meg a Physical Review Letters folyóiratban.

A detektor teljesítményének további növelése érdekében a gravitációs hullámokkal foglalkozó kutatók egy új technológia kifejlesztésén dolgoznak, az úgynevezett „frekvenciafüggõ préselésen”, amely lehetõvé teszi a kvantummechanikai zajok csökkentését mind magas, mind alacsony frekvencián. Ennek a technológiának a megvalósítása az Advanced Virgo interferométer fejlesztésének egyik kulcsfontosságú lépése, amelyre az olaszországi Pisa közelében mûködõ Európai Gravitációs Obszervatóriumban a következõ hónapokban kerül sor.

Ábrafelirat: A Virgo tüköre és a foglalata. A tükör és a foglalat egyaránt fel van függesztve egy csillapító toronyra. A polimer védõréteg (rózsaszínnel) még mindig eltakarja a tükröt, megakadályozva a porszennyezést a telepítés során. Bal oldalon két tükör látható. Ezek a detektor részei, amelyek a tükör mûködés közben fellépõ apró hõdeformációit mérik. A fekete bevonattal ellátott panelek körbeveszik az optikai elemeket és elnyelik a szórt fényt.

Kép forrása: EGO/Virgo Együttműködés/Perciballi