레이저 간섭계 중력 파 분위기는 기기의 거의 완벽한 거울 때문에 부분적으로 원자의 너비보다 수천 배 더 작은 움직임을 감지 할 수 있습니다. 거울은 레이저 빔을 리고의 L 자형 탐지기의 팔 아래로 앞뒤로 흘립니다. 팔의 상대적 길이의 변화는 중력파가 지구를지나 시공간 스트레칭 및 압박을 할 때 드러날 때 드러납니다.
그들은 일반적인 거울과는 다릅니다. 욕실 거울에서 빛은 단지 보호를 위해 유리가있는 금속을 반사합니다. 그러나 Ligo의 강력한 레이저는 금속을 튀길 것입니다. 대신, 거울은 전적으로 유리로 만들어집니다.
일반적으로 유리는 반사되지 않습니다. 금속은 가벼운 파도가 자유롭게 움직이는 전자를 흔들어 공정에서 광자를 흡수하고 다시 미팅하기 때문에 반사합니다. 대조적으로, 유리는 전자가 원자 내에 머무르고 빛과 크게 상호 작용하지 않기 때문에 대부분의 빛을 통과 할 수 있습니다. 그러나 리고는 1939 년에 처음으로 발명 한 트릭을 사용하여 유리에서 거울을 만듭니다. 거울은 실리콘 산화물 유리 (또는 대부분의 유리의 재료)와 탄탈 룸 펜 톡시 사이드 (“탄탈라”) 사이를 번갈아 가며 36 개의 유리 층으로 구성됩니다. 각 층은 빛의 작은 부분을 반영합니다. 각 층의 두께는 절묘한 정밀도로 선택되어 Ligo의 레이저의 정확한 파장에 대해 모든 반사가 건설적으로 방해하여 99.9999% 반사의 거울에 추가됩니다.
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그러나 Ligo의 거울은 일반적으로 신비한 물질 인 유리로 구운 이상한 형태의 소음 때문에 불완전합니다. 유리는 액체에서와 같이 우연히 배열 된 원자 또는 분자로 구성되어 있지만 어떻게 든 멈출 수 없습니다. 물리학 자들은 유리에 내재 된 소음이 두 가지 다른 구성 사이에서 앞뒤로 전환되는 작은 원자 군집에서 나온다고 생각합니다. 이 "2 단계 시스템"은 각 유리 층의 표면이 원자의 너비만큼 변화하기 때문에 거리 레이저 라이트가 리고의 거울 사이에서 약간 변화합니다.
.버클리 캘리포니아 대학교 (University of California)의 유리 전문가이자 1,000 명 리고 과학 팀의 일원 인 프랜시스 헬먼 (Frances Hellman)은“이 시점에서 리고는 문자 그대로 제한적이다. Hellman은 탐지기의“놀라운 진동 분리, 댐핑, 탁월한 민감성을 초래 한 모든 종류의 물건”에도 불구하고“그들이 제거 할 수 없었던 것은 거울 코팅에서 재미있는 작은 원자 운동입니다.”라고 말했습니다. Ligo가 찾고있는 중력파의 천 번째 원자 진폭을 감안할 때, 원자 운동은 큰 문제입니다.
그래도 희망이 있습니다. 유리의 특성에 대한 최근의 이론적 통찰력에 힘 입어 Hellman의 그룹과 다른 사람들은 Ligo의 거울에 사용하기에 더 완벽한 유리를 찾기 위해 경주하고 있습니다. 2024 년에 시작될 예정인 실험의 다음 반복 인 Advanced Ligo Plus는 현재의 시끄러운 반복을 요구할 것입니다. 다른 업그레이드와 함께이 개선은 7 배 더 많은 중력파 탐지로 해석됩니다.
이미 연구원들은 디자인 요구 사항을 충족시킬 수있는 후보 안경을 발견했지만 여전히 명확한 승자를 발견하고자합니다. 글래스고 대학교 (University of Glasgow)의 유리 물리학자인 이아 인 마틴 (Iain Martin)은“오랫동안 그것은 약간 무작위적인 접근이었습니다. "이제 우리는 수색에서 훨씬 더 많은 안내를 받고 있습니다."
Hellman의 그룹은 수십 년 전에 예측 된 가상의 물질 단계 인“이상적인 유리”에 접근하는 것을 찾고 있습니다. 이상적인 유리의 분자는 이론적으로 가장 밀도가 높은 임의의 배열로 함께 포장되어 있으며, 2 단계 시스템이 전혀없는 완벽하게 안정적인 상태입니다. 이상적인 유리가 존재한다면 모든 유리에서 무슨 일이 일어나고 있는지 설명 할 것입니다. 일반 유리의 분자가 도달하려고하는 상태가 될 것입니다.
2007 년에 이상적인 유리에 대한 퀘스트는 물리학 자 Mark Ediger가 이전보다 훨씬 더 안정적인 유리를 생산하는 새로운 유리 제조 기술을 발명하게되었습니다. Glassblowers가 4,000 년 동안했던 것처럼 단단해질 때까지 액체를 냉각시키는 대신 Ediger와 그의 팀은 분자를 테트리스 조각 인 것처럼 표면에 하나씩 떨어 뜨려 편안한 맞춤을 찾을 수있었습니다. Hellman과 그녀의 버클리 팀의 2014 년 실험에 따르면 이러한 방식으로 생성 된“매우 안정적인”실리콘 유리는 일반 유리보다 2 단계 시스템이 훨씬 적습니다.
몇 년 전, Hellman은 매우 안정적인 유리가 Ligo의 거울에도 잘 작동 할 수 있다는 것을 깨달았습니다. 왜냐하면 그것은 현재 그들을 괴롭히는 소음이 적기 때문입니다. 매우 안정적인 실리콘은 Ligo의 레이저의 파장 인 1 미크론의 파장으로 너무 많은 빛을 흡수하기 때문에 작동하지 않습니다. 지난 2 년 동안 Hellman의 그룹은 실리카, 텔 루륨 산화물 (Telluria), 셀레늄 산화물 (셀레니아) 및 게르마늄 (게르마니아)의 특성을 가지고 연주했습니다.
마틴과 그의 글래스고 그룹은 4 개의 분자의 피라미드와 같은 배열로 구성된 특정 분자 구조가없는 유리에 초점을 맞추었다. 작년에 Stanford University의 연구원들과 협력하여 작업에 따르면 이러한 배열은 유리의 인접한 사면체가 하나의 분자 만 공유하는 구조보다 더 많은 2 단계 시스템을 생성하기 때문에 더 많은 소음으로 이어진다는 것을 보여주었습니다. Martin은 Ligo의 거울에있는 Tantala 층을 유망한 대체로이 저음 조정을 선호하는 게르마니아 유리를보고 있습니다. 게르마니아 자체는 너무 적은 빛을 반영하지만 티타늄으로 도핑하면 도움이 될 수 있습니다. (다른 층은 현재 거울에서와 같이 여전히 실리카 일 것입니다.)
Martin에 따르면 지금까지 식별 된 다른 옵션은 일부 레이어에서 Hellman의 매우 안정적인 실리콘을 사용하는 것입니다. 그와 협력자들은 Ligo의 작동 파장에서 실리콘의 빛 흡수를 줄이는 방법을 찾았습니다. "우리는 그것이 실제로 사용될 수있을 정도로 충분히 낮다고 생각합니다."라고 그는 말했다. 그러나 대부분의 빛이 이미 반사되었고 흡수가 문제가되지 않는 거울의 바닥 층에서만 흡수가 너무 적다. 마틴은“게르만 아이디어와 결합되어 독일의 아이디어와 실리카가 거울의 상단 부분에 있고 실리콘과 실리카가 아래쪽 절반에있을 수있다”고 말했다.
선택을위한 최초의 마감일은 5 월 30 일 이었지만 Ligo 팀은 코로나 바이러스 전염병으로 인해 6 개월에서 18 개월 연장을 거부하고 있습니다. Martin은“코팅이 어떤 코팅이 효과가 있을지 확신하기 전에해야 할 일이 여전히 많습니다.
물론, 마감일이 지나면 완벽하고 매우 안정적인 흡수가없는 유리가 발견되면 Ligo의 일정이 변경 될 수 있습니다. Hellman은“우리가 소음을 몇 배씩 떨어 뜨릴 수 있다면 또 다른 셧다운을 계획 할 것입니다.”
수정 2020 년 4 월 17 일 :이 기사의 원래 버전은 Ligo의 거울에는 70 개의 층이 있고 레이저가 1.5 미크론의 파장에서 작동한다고 언급했습니다. 이것은 가능한 미래의 디자인을위한 숫자입니다. 현재 구성에서 Ligo의 거울에는 36 개의 층이 있으며 1 마이크론 레이저를 사용합니다.
이 기사는 에 재 인쇄되었습니다 theatlantic.com 및 Investigacionyciencia.es. 의 스페인어로
