В.П. Митрофанов

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова (физический факультет), Москва
pmitrofanov@physics.msu.ru

«Альманах современной метрологии» № 4 (24) 2020, стр. 349–363

УДК 006.91:531.7

Представлены основные направления исследований, которые проводит Научная коллаборация LIGO-Virgo  с целью повышения чувствительности работающих интерферометрических гравитационно-волновых детекторов, а также рассматриваются разрабатываемые в настоящее время  детекторы следующего поколения.  Чувствительными элементами гравитационно-волнового детектора являются подвешенные пробные массы, отражающие покрытия которых формируют зеркала интерферометра.  Совершенствованию  их конструкции и снижению шумов уделяется большое внимание.  Эти исследования имеют связь с аналогичными исследованиями, которые направлены на разработку МЭМС гравиметров нового поколения. Вопросы создания и повышения чувствительности таких гравиметров рассмотрены во второй части работы.

Ключевые слова: интерферометрический детектор гравитационных волн, пробные массы, гравиметр.

Цитируемая литература

1. Abbott B.P. Еt al. Observation of gravitational waves from a binary black hole merger // Phys. Rev. Lett. 2016. 116. 061102.

2. Acernese F. et al. Advanced Virgo: a second-generation interferometric gravitational wave detector // Class. Quantum Grav. 2015. 32. 024001.

3. Abbott B.P. et al. GW170817: observation of gravitational waves from a binary neutron star inspiral // Phys. Rev. Lett. 2017. 119. 161101.

4. Abbott B.P. et al. Multi-Messenger Observations of a Binary Neutron Star Merger // Astrophys. J. Lett. 2017. 848. L12.

5. Abbott B. P. et al. GWTC-1: A Gravitational-Wave Transient Catalog of Compact Binary Mergers Observed by LIGO and Virgo during the First and Second Observing Runs // Phys. Rev. 2019. X 9. 031040.

6. Черепащук А.М., Алексеев А.А., Белинский С.О. Многоканальная астрономия — М.: Век-2, 2019.

7. LIGO Scientific Collaboration. LSC program. https://dcc.ligo.org/LIGO-M1800085/public, 2018.

8. https://www.ligo.org/science/GW-IFO.php

9. Aasi J., et al. Advanced LIGO // Class. Quantum Gravity. 2015. 32 (7), 074001. Instrument science white paper, 2019. LIGO Technical Note, LIGO-T1900409–v3.

10. Braginsky V.B., Gorodetsky M.L., Vyatchanin S.P. Compendium of thermal noises in optical mirrors in Optical Coatings and Thermal Noise in Precision Measurement, (Eds Harry G., Bodiya T.P., DeSalvo R.) — Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2012.

11. Vajente G., Birney R., Ananyeva A. et al. Effect of elevated substrate temperature deposition on the mechanical losses in tantala thin film coatings // Class. Quantum Grav. 2018. 35. 075001.

12. Liu X et al., Hydrogen-free amorphous silicon with no tunneling states // Phys. Rev. Lett. 2014. 113 025503.

13. Cumming A.V. et al. Measurement of the mechanical loss of prototype GaP/AlGaP crystalline coatings for future gravitational wave detectors // Class. Quantum Grav. 2015. 32, 035002.

14. Abbot B.P. et al LIGO: the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory // Rep. Prog. Phys. 2009. 72 076901.

15. Брагинский В.Б., Классические и квантовые ограничения при обнаружении слабых воздействий на макроскопический осциллятор // ЖЭТФ. 1967. 53. 1434.

16. Danilishin S.L., Khalili F.Ya., Miao H., Advanced quantum techniques for future gravitational-wave detectors // Living Reviews in Relativity. 2019. 22. 2.

17. Braginsky V. B., Strigin S. E., Vyatchanin S. P., Parametric oscillatory instability in Fabry-Perot interferometer // Phys. Lett. 2001. A 287, 331.

18. Caves C. M. Quantum-mechanical noise in an interferometer // Phys.Rev. 1981. D 23 1693.

19. Barsotti L., Harms J., Schnabel R., Squeezed vacuum states of light for gravitational-wave detectors // Rep. Prog. Phys. 2019. 82. 016905.

20. Wu L. A., Kimble H. J., Hall J. L. and Wu H. Generation of Squeezed States by Parametric Down Conversion // Phys. Rev. Lett. 1986. 57. 2520.

21. Kimble H. J., Levin Y., Matsko A. B., Thorne K. S. and Vyatchanin S. P. Conversion of conventional gravitational-wave interferometers into quantum nondemolition interferometers by modifying their input and/or output optics // Phys. Rev. 2001. D 65 022002.

22. Халили Ф.Я. Квантовые измерения в детекторах гравитационных волн. УФН, 2016. 186. 1059.

23. Anderson O., Bommel H. Ultrasonic Absorption in Fused Silica at Low Temperatures and High Frequencies // J. Amer. Ceram. Soc. 1955. 38. 125.

24. Shitikov A.E., Bilenko I.A., Kondratiev N.M., Lobanov V.E., Markosyan A., Gorodetsky M.L. Billion Q-factor in silicon WGM resonators // Optica. 2018. 5. 1525.

25. Nawrodt R., Rowan S., Hough J. et al. Challenges in thermal noise for 3rd generation of gravitational wave detectors // Gen. Relativ. Gravit. 2011. 43, 593.

26. Mitrofanov V. P., Chao S., Pan H-W. et al. Technology for the next gravitational wave detectors // Sci. China-Phys. Mech. Astron. 2015. 58. 120404.

27. Akutsu T., Ando M., Arai K. et al. KAGRA: 2.5 generation interferometric gravitational wave detector // Nat. Astron. 2019. 3. 35.

28. Swenson C. A., Recommended Values for the Thermal Expansivity of Silicon from 0 to 1000 K // Phys. Chem. Ref. Data. 1983. 12, 179.

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

30. Prokhorov L.G. and Mitrofanov V.P., Mechanical losses of oscillators fabricated in silicon wafers // Class. Quantum Grav. 2015. 32. 195002.

31. Prokhorov L.G., Koptsov D.V., Matiushechkina M.S.,Mitrofanov V.P., Haughian K., Hough J., Rowan S., van Veggel A.A., Murray P. G., Hammond G. D., Tokmakov K. Upper limits on the mechanical loss of silicate bonds in a silicon tuning fork oscillator // Phys. Lett. 2018. A. 382, 2186.

32. Abernathy M.R., Smith N., Korth W.Z., Adhikari R.X., Prokhorov L.G., Koptsov D.V. and Mitrofanov V.P. Measurement of mechanical loss in the Acktar Black coating of silicon wafers // Class. Quant. Grav. 2016. 33(18). 185002.

33. Prokhorov L.G., Mitrofanov V.P., Kamai B., Markowitz A., Xiaoyue Ni, Adhikari R.X. Measurement of mechanical losses in the carbon nanotube black coating of silicon wafers // Class. Quant. Grav. (to be published).

34. Punturo M. et al. The Einstein Telescope: A third-generation gravitational wave observatory // Class. Quant. Grav. 2010. 27. 194002.

35. Reitze D. et al. Cosmic Explorer: The U.S. Contribution to Gravitational-Wave Astronomy beyond LIGO. 2019, arXiv:1907.04833 [astro-ph.IM].

36. Middlemiss R.P. et al. Measurement of the Earth Tides with a MEMS Gravimeter // Nature. 2016. 531. 614.

37. Tang S. et al. A high-sensitivity MEMS gravimeter with a large dynamic range // Microsystems & Nanoengineering. 2019. 5. 45.

38. Cella G., Sannibale V., DeSalvo R. et al. Monolithic geometric anti-spring blades // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 2005. A 54. 502.

39. Carbone L. et al. Sensors and actuators for the Advanced LIGO mirror suspensions // Class. Quantum Grav. 2012. 29. 115005.

40. Noack A., Middlemiss R., Prasad A., Hammond G. MEMS gravity sensors for imaging density anomalies // Proc. SPIE. 2018. 10723, 107230J.

Статья в полном объеме в Научной электронной библиотеке eLIBRARY.
Оформить подписку и купить печатные номера журнала у издателя.