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Voir dix fois plus d’ondes gravitationnelles grâce au vide quantique

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Voir dix fois plus d'ondes gravitationnelles grâce au vide quantique

Une collaboration internationale associant physiciens japonais et européens, dont des chercheurs du Laboratoire d’Annecy de physique des particules (LAPP) et du Laboratoire astroparticules et cosmologie de Paris (APC), a mis au point une nouvelle méthode pour réduire le bruit quantique dans les détecteurs d’ondes gravitationnelles. Cette technique, qui fait l’objet d’une publication dans la revue Physical Review Letters ce mardi 28 avril 2020, permettra de rechercher des sources d’ondes gravitationnelles toujours plus faibles et plus éloignées.

Les ondes gravitationnelles sont de minuscules vibrations de l’espace-temps produites par des phénomènes très énergétiques de l’univers, comme la fusion de trous noirs ou d’étoiles à neutrons. Elles ont été observées pour la première fois en 2015 par la collaboration LIGO-Virgo. Depuis, la sensibilité des détecteurs d’ondes gravitationnelles a été grandement améliorée, de sorte qu’aujourd’hui la fréquence de détection de ces événements est d’une fois par semaine.

Les observatoires d’ondes gravitationnelles utilisent des lasers très stables pour mesurer avec précision la distance entre des miroirs espacés de plusieurs kilomètres. La variation de la quantité de lumière, c’est-à-dire du nombre de photons, mesurée à la sortie du détecteur, révèle ainsi le passage d’une onde gravitationnelle. Mais la nature quantique des photons limite la sensibilité des détecteurs : les fluctuations quantiques associées à leur mesure finissent par cacher les signaux d’onde gravitationnelle. Pour atténuer cet effet, les physiciens utilisent des états spéciaux de la lumière appelés « états comprimés du vide quantique ». Leur recours, dans la gamme de fréquence supérieure à 100 Hz, permet d’améliorer la sensibilité des détecteurs ; toutefois, l’effet est inverse pour des fréquences plus basses, où l’observation de nombreuses sources astrophysiques est attendue.

« Les physiciens ont identifié le bruit quantique comme limite de la sensibilité des détecteurs il y a quarante ans, explique Raffaele Flaminio, de l’équipe Virgo du LAPP. Depuis, ils cherchent à en contourner le problème. Dans le cadre d’une collaboration entre chercheurs européens et japonais, je me suis attelé à cette tâche en 2015, je travaillais alors sur le prototype de détecteur d’ondes gravitationnelles disponible à l’Observatoire astronomique national du Japon, appelé TAMA300 ». Et le succès a été au rendez-vous ! R. Flaminio, responsable du projet de recherche, et ses collègues ont réussi à produire et tester un nouveau type d’état comprimé du vide capable de réduire l’effet du bruit quantique, cette fois-ci à toutes les fréquences. Les résultats de leurs travaux ont été publiés dans la revue Physical Review Letters ce mardi 28 avril 2020. Un résultat similaire a été obtenu par un groupe de l’Institut de technologie du Massachusetts (MIT) aux Etats-Unis, en utilisant une cavité optique de seize mètres et non de trois cents comme c’est le cas dans TAMA300. Les deux articles ont été publiés conjointement le 28 avril 2020.

Connu sous le nom de « vide comprimé dépendant de la fréquence », ces états quantiques seront utilisés dans tous les détecteurs d’ondes gravitationnelles présents au monde : Virgo en Europe, LIGO aux États-Unis et KAGRA au Japon. L’équipe Virgo du LAPP travaille déjà à la mise en œuvre de cette technique pour le détecteur européen dans le cadre de sa prochaine amélioration, appelée Advanced Virgo Plus. « Les résultats de cette étude, obtenus avec les moyens limités du prototype japonais, nous rendent confiants quant à l’accroissement de la sensibilité espérée pour Virgo, commente R. Flaminio. A travers elle, nous avons encore acquis un premier savoir-faire sur cette technique inédite, ce qui nous fera gagner un temps précieux pour sa mise en œuvre dans le détecteur ». Combinée à d’autres améliorations, la réduction du bruit quantique devrait permettre d’augmenter le nombre d’événements vus par Virgo de plus d’un facteur dix.

L’histoire ne s’arrêtera peut-être pas là. D’autres techniques de diminution du bruit quantique sont en cours de réflexion à TAMA300.

Référence de la publication :Zhao, Y., et al. “Frequency-dependent squeezed vacuum source for broadband quantum noise reduction in advanced gravitational-wave detectors”, Physical Review Letters, April 28, 2020.

Chambre à vide utilisée dans l’interféromètre TAMA300 lors de l’expérience © NAOJ