De Virgo-detector in Italië is cruciaal bij het waarnemen van zwaartekrachtsgolven uit het heelal. Nikhef construeert momenteel in Amsterdam onderdelen van een revolutionaire nieuwe ruisonderdrukker, die in het najaar in Pisa moet worden ingebouwd.
In het lab klinkt zachtjes een transistorradio. Arbeidsvitamines voor bij het geconcentreerde sleutelwerk van Nikhef-stafonderzoeker Alessandro Bertolini. In zijn blauwe stofjas met wit haarnet hurkt hij bij een half vacuümvat in een grote clean room in Amsterdam. Net over de rand steekt de bovenkant van een aluminium platform vol bladveren, sensoren en slingergewichten dat bij een kleine aanraking haast lijkt te zweven. Daarop, wijst hij, komt aan dunne draden een optische spiegel te hangen zonder dat de kakofonie van aardse trillingen er vat op heeft.
Anderhalf jaar geleden kende NWO ruim 3,5 miljoen euro toe voor een toevoeging aan de Virgo-detector voor zwaartekrachtsgolven bij Pisa die het apparaat nog veel sensitiever voor zwaartekrachtsgolven uit het heelal moet maken. Bij Nikhef, een van de hoofdpartners in Virgo, is momenteel dagelijks te zien wat zo’n toekenning in de praktijk betekent.
Experts als Bertolini sleutelen dag in dag uit ingespannen aan fijnmechanische spiegelophangingen voor een nieuwe toevoeging aan Virgo, die de detector met quantumtrucs nog ruisvrijer maakt dan hij al is.
De Virgo-detector registreert trillingen van ruimte en tijd zoals die door de relativiteitstheorie van Einstein worden voorspeld nadat bijvoorbeeld zwarte gaten op elkaar botsen. In 2015 werd zoiets voor het eerst gemeten, samen met de LIGO-detectoren in de VS. De ontdekking haalde alle media en kreeg een jaar later een Nobelprijs.
Zulke detectoren hebben een L-vorm met twee armen van kilometers lang, die bij Pisa in blauwe halve tunnels in het agrarische landschap liggen. Ze meten minieme afstandsvariaties tussen spiegels aan de uiteinden van de buizen door zogeheten interferentie van lasersbundels. Die doven elkaar normaal uit, tot een van de armen even een fractie langer of korter wordt. Dan is er heel even een lichtsignaaltje.
Probleem aan zulke precisiemetingen is dat de installaties ook gevoelig zijn voor de trillingen en ruis uit de omgeving op aarde, van zee en wind tot passerende tractoren. Daarvoor zijn, deels ook op Nikhef, ingenieuze trillingsvrije ophangingen ontwikkeld voor de zware spiegels in de detectoren.
Maar ook de laserstralen en sensoren in de interferometers zelf vertonen kleine spontane variaties. Dat geeft ruis die de gevoeligheid van de metingen in de weg zit. Daarvoor bestaan al wel oplossingen. Maar de installaties die nu in Amsterdam worden voorbereid voor Virgo vormen een revolutionaire volgende stap.
‘Wat we gaan proberen is het principe van Heisenberg uit de quantummechanica nog slimmer te gebruiken om ruis in Virgo te onderdrukken’, zegt teamleider Bertolini van Nikhef. Volgens de quantumtheorie van Heisenberg zijn natuurlijke variaties in de intensiteit en de timing (fase) van de lasergolven communicerende vaten. Is de fase scherp bepaald, dan is de intensiteit slecht bekend, en omgekeerd. Virgo benut dat principe in zogeheten quantum squeezing: optische trucs om de relevante ruis weg te drukken, ook al geeft dat wel weer andere ruis.
Virgo signaleert tot nog toe vooral de snelle trillingen aan het begin van een zwaartekrachtsgolf uit de kosmos. Daarbij is vooral quantumsqueezing van de fase belangrijk. Maar dat heeft wel een prijs, zegt Bertolini. ‘Door in het hoogfrequente gebied de fase te knijpen, wordt de intensiteitsruis bij lage frequenties zo groot dat de spiegels te hard gaan meetrillen met het licht. Het tragere deel van de golven zien we daardoor veel slechter.’
De nieuwe ruisonderdrukker moet het beste van beide werelden bieden. Het systeem kan zowel intensiteitsruis als faseruis onderdrukken, maar doet dat op verschillende momenten. Voor deze frequentieafhankelijke quantum squeezing kaatst de laserstraal tijdens de bewerkingen heen en weer tussen spiegels in een optische trilholte van 300 meter lang.
De spiegels in de trilholte moeten weer volkomen trillingsvrij worden opgehangen, net als de hoofdspiegels in Virgo naar een Nikhef-ontwerp. De onderdelen waren al enige tijd in huis. Nu is het tijd om ze samen te bouwen.
De eerste ophanging voor de squeezer is vrijwel klaar en zal ingebouwd in zijn stalen vacuümtoren de komende tijd uitgebreid tests ondergaan en worden ingeregeld. Een Italiaans bedrijf bouwt momenteel een kopie die later ook weer op Nikhef onder vacuüm getest zal worden. Nikhef bouwt daarnaast ook nog de trilvrije ophangingen voor de twee optische banken waar de ruisonderdrukker aan de Virgo-detector zelf zal worden gekoppeld.
Dat de frequentie-afhankelijke quantumsqueezing echt werkt, is onlangs in een laboratoriumexperiment in Japan op ware schaal aangetoond, met medewerking van Nikhef-onderzoekers Matteo Tacca en promovendus Yuefan Guo. ‘We zijn ervan overtuigd dat het op schaal van Virgo ook moet kunnen’, zegt Bertolini. ‘Heisenberg laat dit toe.’ In de VS werkt ook LIGO aan zo’n systeem voor hun installaties.
In augustus moeten de spiegelophangingen en trillingsdempers afgemonteerd naar Italië worden verscheept, waar ze in oktober zullen worden geplaatst in de oost-west gerichte tunnelbuis van Virgo. De optische installaties passen precies naast de eigenlijke Virgo-pijp in de tunneloverkapping die zich drie kilometer uitstrekt in de velden bij Pisa, is uitgerekend. Alleen voor de toegang van de vacuümtorens moet het dak worden verhoogd.
Idealiter is dat werk gedaan als de nieuwe bundelsqueezer in Pisa arriveert, zegt Bertolini. ‘We streven ernaar dat we bij wijze van spreken alles kunnen inpluggen en op de knop drukken.’ Uit ervaring weet hij dat het zelden echt zo gemakkelijk is in de experimentele natuurkunde. Eerst de deadline van augustus halen, is het nu het devies.
Dit is het vijfde en laatste deel van een miniserie op nikhef.nl over de huidige werkzaamheden aan grote experimenten op CERN en elders.