レーザー干渉計重力波天文台は、原子の幅の何千倍も小さい動きを感知できます。ミラーは、レーザービームを LIGO の L 字型検出器のアームに沿って前後に跳ね返します。腕の相対的な長さの変化は、重力波が地球を過ぎてはためき、時空を伸ばしたり縮めたりする時期を明らかにします。
それらは通常の鏡のようなものではありません。バスルームの鏡では、光が金属に反射しますが、その前には保護のためだけにガラスが置かれています。しかし、LIGO の強力なレーザーは、どんな金属でも揚げてしまいます。代わりに、鏡はすべてガラスでできています。
通常、ガラスは反射しません。金属が反射するのは、光波が自由に移動する電子を揺さぶり、その過程で光子を吸収して再放出するためです。対照的に、ガラスは電子が原子内にとどまり、光とあまり相互作用しないため、ほとんどの光を通過させます。しかし、LIGO は、1939 年に最初に発明されたトリックを使用して、ガラスからミラーを作成します。ミラーは、酸化シリコン ガラス (ほとんどのガラスの材料である「シリカ」) と五酸化タンタル (「タンタラ」) を交互に重ねた 36 層のガラスで構成されています。各層は、光のごく一部を反射します。各層の厚さは絶妙な精度で選択されるため、LIGO のレーザーの正確な波長に対して、すべての反射が建設的に干渉し、99.9999% の反射率のミラーになります。
しかし、LIGO のミラーは、一般に不思議な物質であるガラスに焼き付けられた奇妙な形のノイズのために不完全です。ガラスは、原子または分子が液体のように無計画に配置されているが、何らかの形でくっついて流れていない状態で構成されています。物理学者は、ガラスに固有のノイズは、原子の小さなクラスターが 2 つの異なる配置の間を行ったり来たりすることから生じると考えています。これらの「2 レベル システム」は、レーザー光が LIGO のミラー間を移動する距離をわずかに変化させます。これは、各ガラス層の表面が原子の幅ほどシフトするためです。
カリフォルニア大学バークレー校のガラス専門家で、1,000 人の LIGO 科学チームのメンバーである Frances Hellman 氏は、「現時点で LIGO は文字通り制限されています」と述べています。ヘルマン氏は、検出器の「驚異的な防振、減衰、あらゆる種類のものによって並外れた感度がもたらされたにもかかわらず」、「彼らが取り除くことができなかったものの1つは、鏡の中のこれらの面白い小さな原子の動きです.コーティング。 LIGO が探している重力波の振幅が原子の 1000 分の 1 であることを考えると、原子運動は大きな問題です。
しかし、希望はあります。ガラスの性質に関する最近の理論的洞察に後押しされて、Hellman のグループと他のグループは、LIGO のミラーで使用するためのより完璧なガラスを見つけようと競争しています。 2024 年に開始される予定の実験の次の反復である Advanced LIGO Plus では、現在の半分以下のノイズのミラーが必要になります。他のアップグレードと合わせて、この改善により、重力波の検出が 7 倍になり、数時間ごとに約 1 回になります。
研究者たちはすでに、設計要件を満たす可能性のあるいくつかの候補ガラスを見つけていますが、明確な勝者を見つけることを望んでいます.グラスゴー大学のガラス物理学者で、LIGO にも参加している Iain Martin 氏は、次のように述べています。 「今、私たちは検索においてより多くの指針を得ることができる立場にあります。」
Hellman のグループは、何十年も前に予測された仮想的な物質の相である「理想的なガラス」に近づくものを探しています。理想的なガラスの分子は、理論的には可能な限り高密度のランダムな配置で一緒に詰め込まれており、2 レベル システムがまったくない完全に安定した状態です。理想的なガラスが存在する場合、すべてのガラスで何が起こっているかを説明できます。通常のガラスの分子が到達しようとしている状態になります.
2007 年、理想的なガラスの探求により、物理学者のマーク エディガーは、以前よりもはるかに安定したガラスを製造する新しいガラス製造技術を発明しました。吹きガラス職人が 4,000 年間行ってきたように、固まるまで液体を冷却する代わりに、エディガーと彼のチームは分子を 1 つずつ表面に落とし、まるでテトリスの破片であるかのように、ぴったり合うものを見つけられるようにしました。 Hellman と彼女のバークレー チームによる 2014 年の実験では、この方法で作成された「超安定」シリコン ガラスは、通常のガラスよりも 2 レベル システムがはるかに少ないことが示されました。
数年前、Hellman は、超安定ガラスが LIGO のミラーにも適している可能性があることに気付きました。これは、現在ミラーを悩ませているノイズが少なくなるためです。超安定シリコンは、LIGO のレーザーの波長である 1 ミクロンの波長の光を吸収しすぎるため、機能しません。過去 2 年間、Hellman のグループは、シリカ、酸化テルル (テルリア)、酸化セレン (セレン)、酸化ゲルマニウム (ゲルマニア) の特性を試してきました。
マーティンと彼のグラスゴーのグループは、分子の 2 つが別の四面体の一部でもある 4 つの分子のピラミッドのような配置からなる特定の分子構造を欠くガラスに彼らの追求を集中させました。昨年、スタンフォード大学の研究者と共同で行った研究では、ガラス内の隣接する四面体が 1 つの分子のみを共有する構造よりも、これらの配置がより多くの 2 レベル システムを作成するため、より多くのノイズが生じることが示されました。 Martin 氏は、LIGO の鏡のタンタラ層の有望な代替品として、これらの低ノイズ配置に有利なゲルマニア ガラスを見ています。ゲルマニア自体は光をほとんど反射しませんが、チタンをドープすることでそれを改善できます。 (現在のミラーのように、他の層は依然としてシリカです。)
Martin 氏によると、これまでに特定されたもう 1 つのオプションは、いくつかの層で Hellman の超安定シリコンを使用することです。彼と共同研究者は、LIGO の動作波長でシリコンの光吸収を減らす方法を発見しました。 「実際に使用できるほど十分に低いと考えています」と彼は言いましたが、ほとんどの光がすでに反射されており、問題になる吸収がほとんど残っていないミラーの最下層でのみです. 「ゲルマニアのアイデアと組み合わせて、[ミラーの] 上部にゲルマニアとシリカ、下部半分にシリコンとシリカを配置することも可能です」と Martin 氏は述べています。
選択の当初の締め切りは 5 月 30 日でしたが、コロナウイルスのパンデミックのため、LIGO チームは 6 か月から 18 か月の延長を検討しています。 「どのコーティングが機能するかを確認する前に、まだやるべきことがたくさんあります」とマーティン氏は述べ、このプロジェクトのすべてのラボ研究は無期限に保留されています.
もちろん、締め切り後に完全で超安定な吸収のないガラスが発見されれば、LIGO のスケジュールが変更される可能性があります。 「ノイズを 1 桁下げることができれば、彼らは別のシャットダウンを計画するでしょう。」
2020 年 4 月 17 日訂正:この記事の元のバージョンでは、LIGO のミラーには 70 層があり、そのレーザーは 1.5 ミクロンの波長で動作すると述べていました。これらは、可能な将来の設計のための数値です。現在の構成では、LIGO のミラーは 36 層で、1 ミクロンのレーザーを使用しています。
この記事はに転載されました TheAtlantic.com およびスペイン語で Investigacionyciencia.es.
