ΗΠΑ: Σχέδια για την αναβάθμιση των δίδυμων «κυνηγών» βαρυτικών κυμάτων

Με τις δύο πανομοιότυπες διατάξεις του, στην Ουάσιγκτον και τη Λουιζιάνα των ΗΠΑ, το πείραμα Advanced LIGO έχει ήδη γράψει ιστορία στη φυσική, αφού στις αρχές Φεβρουαρίου κατάφερε για πρώτη φορά να ανιχνεύσει βαρυτικά κύματα.
Αυτό ωστόσο κάθε άλλο παρά σημαίνει πως το πείραμα ολοκλήρωσε την αποστολή του. Αντίθετα, όχι μόνο οι διατάξεις συνεχίζουν να αναζητούν βαρυτικά κύματα, αλλά οι επιστήμονες εξετάζουν ήδη τρόπους για να τις αναβαθμίσουν, ώστε να αυξήσουν την ευαισθησία του πειράματος.

Τέτοιοι προτεινόμενοι τρόποι τέθηκαν στο τραπέζι την περασμένη εβδομάδα, σε συνάντηση που οργάνωσε γι’ αυτό τον σκοπό η Ένωση Αμερικανών Φυσικών στο Salt Lake City. Με δεδομένο πως το Advanced LIGO βασίζεται στην απειροελάχιστη παραμόρφωση των αποστάσεων που προκαλούν τα βαρυτικά κύματα, στη συνάντηση κατατέθηκαν ιδέες για το πώς θα μπορούν να ανιχνευθούν παραμορφώσεις μικρότερες από το 0,01% της διαμέτρου του πρωτονίου.

Κάθε ανιχνευτής του Advanced LIGO αποτελείται από δύο σήραγγες μήκους 4 χιλιομέτρων, οι οποίες είναι κάθετες μεταξύ τους. Στην κοινή τους βάση, μία συσκευή διαιρεί μία δέσμη λέιζερ, στέλλοντας από μία σε κάθε σήραγγα. Κάθε δέσμη θα διατρέξει τη σήραγγα, θα ανακλασθεί στο άκρο από ένα κάτοπτρό, και θα επιστρέψει.

Αν οι δέσμες ταξιδέψουν ίσες αποστάσεις, τότε θα γυρίσουν ταυτόχρονα πίσω στη βάση. Αν όμως περάσει από τη διάταξη κάποιο βαρυτικό κύμα, τότε αυτό θα αλλοιώσει τις αποστάσεις που διανύουν οι δέσμες – μία αλλαγή που μπορούν να ανιχνεύσουν οι επιστήμονες.

Όπως είναι φυσικό, για να μετρηθούν τόσο μικρές παραμορφώσεις, θα πρέπει να ξεπερασθούν αρκετά τεχνικά προβλήματα. Πρώτο και καλύτερο, το γεγονός ότι μία απειροελάχιστη δόνηση, ακόμη και από ένα αυτοκίνητο που περνά από την περιοχή, μπορεί να μετακινήσει ελαφρώς τα κάτοπτρα και επομένως να γίνει αιτία για πειραματικό σφάλμα.

Μία στρατηγική για να απομονωθούν ακόμη πιο αποτελεσματικά οι διατάξεις από τέτοιους τοπικούς «θορύβους» είναι τα κάτοπτρα να μην αγγίζουν το έδαφος, αλλά να αιωρούνται κρεμασμένα από σκαλωσιές. Παράλληλα, σεισμογράφοι θα καταμετρούν την παραμικρή μετακίνηση του εδάφους, ώστε σε πραγματικό χρόνο να μεταβάλλεται η θέση των κατόπτρων για να παραμείνει  σταθερή η απόστασή τους από την κοινή βάση.

Μία τέτοια λύση, όμως, θα σήμαινε πως τα κάτοπτρα δεν θα επηρεάζονταν από τα τοπικά μικροτραντάγματα, αλλά μόνο από τις δονήσεις που προέρχονται από μεγάλες αποστάσεις – ακόμη κι από έναν σεισμό με επίκεντρο την Αυστραλία. Επομένως, για να λειτουργούν με τον ίδιο τρόπο και οι σεισμογράφοι, και αυτοί δεν θα έρχονται σε επαφή με το έδαφος, αλλά θα αιωρούνται επίσης κρεμασμένοι από ειδικές σκαλωσιές.

Εκτός από τεχνικά προβλήματα όπως το παραπάνω, για να αυξηθεί η ευαισθησία του πειράματος θα πρέπει να λυθεί ένα ακόμη πιο θεμελιώδες εμπόδιο, το οποίο προέρχεται από την κβαντική φυσική. Ο λόγος είναι πως, στην περίπτωση βαρυτικών κυμάτων πάνω από μία συγκεκριμένη συχνότητα (περίπου 1 kHz), μπαίνουν περιορισμοί από την αρχή της απροσδιοριστίας. 

Αυτό το βασικό αξίωμα της κβαντομηχανικής, το οποίο διατύπωσε ο Γερμανός Βέρνερ Χάιζενμπεργκ τη δεκαετία του 1920, έχει εφαρμογή σε συγκεκριμένα ζεύγη φυσικών μεγεθών, όπως για παράδειγμα στη θέση και την ορμή, βάζοντας ένα όριο στην ακρίβεια των μετρήσεών τους. Έτσι, για παράδειγμα, όσο πιο ακριβής είναι η μέτρηση της θέσης ενός σωματιδίου, τόσο λιγότερο ακριβής είναι η μέτρηση της ταχύτητάς του.

Στην περίπτωση του Advanced LIGO, η αρχή της αβεβαιότητας σημαίνει πως όσο πιο ακριβής είναι η μέτρηση της έντασης των δεσμών, τόσο λιγότερο ακριβής είναι η μέτρηση της φάσης των κυμάτων φωτός, από την οποία προκύπτουν οι ανιχνεύσεις των κυμάτων.

Για να παρακαμφθεί το αξίωμα, Δανοί φυσικοί πρότειναν οι δέσμες να περνούν μέσα από έναν ειδικό κρύσταλλο. Το αποτέλεσμα θα είναι να μπορεί να μετρηθεί η φάση των κυμάτων με μικρότερο σφάλμα, «εις βάρος» της ακρίβειας κατά τη μέτρηση της έντασης.

Μαζί με τις υπόλοιπες ιδέες, η τεχνική αυτή θα αξιοποιηθεί στην επόμενη φάση βελτιώσης του Advanced LIGO. Όταν έγινε η προηγούμενη αναβάθμιση του πειράματος, η οποία ολοκληρώθηκε τον περασμένο φθινόπωρο και κόστισε 200 εκατομμύρια δολάρια, δεν ήταν έτοιμη για να εφαρμοσθεί.

naftemporiki