Για να φτιάξουν τον τέλειο καθρέφτη, οι φυσικοί αντιμετωπίζουν το μυστήριο του γυαλιού
Το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων συμβολόμετρου λέιζερ μπορεί να ανιχνεύσει κινήσεις χιλιάδες φορές μικρότερες από το πλάτος ενός ατόμου, εν μέρει λόγω των σχεδόν τέλειων κατόπτρων του οργάνου. Οι καθρέφτες αναπηδούν τις ακτίνες λέιζερ μπρος-πίσω στους βραχίονες των ανιχνευτών σχήματος L του LIGO. Οι αλλαγές στα σχετικά μήκη των βραχιόνων αποκαλύπτουν πότε ένα βαρυτικό κύμα περνά δίπλα από τη Γη, τεντώνοντας και συμπιέζοντας τον χωροχρόνο.
Δεν μοιάζουν με κανονικούς καθρέφτες. Στον καθρέφτη του μπάνιου σας, το φως αντανακλάται από το μέταλλο, το οποίο έχει γυαλί μπροστά του απλώς για προστασία. Αλλά το ισχυρό λέιζερ του LIGO θα τηγάνιζε οποιοδήποτε μέταλλο. Αντίθετα, οι καθρέφτες του είναι κατασκευασμένοι εξ ολοκλήρου από γυαλί.
Κανονικά, το γυαλί δεν είναι ανακλαστικό. Το μέταλλο ανακλάται επειδή τα κύματα φωτός ανακινούν τα ελεύθερα κινούμενα ηλεκτρόνια του, τα οποία απορροφούν και εκπέμπουν εκ νέου φωτόνια στη διαδικασία. Το γυαλί, αντίθετα, αφήνει το μεγαλύτερο μέρος του φωτός να περάσει, επειδή τα ηλεκτρόνια του παραμένουν μέσα στα άτομα τους και δεν αλληλεπιδρούν πολύ με το φως. Ωστόσο, το LIGO κατασκευάζει καθρέφτες από γυαλί χρησιμοποιώντας ένα τέχνασμα που εφευρέθηκε για πρώτη φορά το 1939. Οι καθρέφτες αποτελούνται από 36 στρώματα γυαλιού που εναλλάσσονται μεταξύ γυαλιού οξειδίου του πυριτίου (ή «πυριτίου», το υλικό του περισσότερου γυαλιού) και πεντοξειδίου του τανταλίου («tantala»). Κάθε στρώμα αντανακλά ένα μικρό κλάσμα του φωτός. Το πάχος κάθε στρώματος επιλέγεται με εξαιρετική ακρίβεια, έτσι ώστε, για το ακριβές μήκος κύματος του λέιζερ LIGO, όλες οι αντανακλάσεις να παρεμβαίνουν εποικοδομητικά, αθροίζοντας έναν καθρέφτη που ανακλά 99,9999%.
Οι καθρέφτες του LIGO είναι ατελείς, ωστόσο, λόγω μιας παράξενης μορφής θορύβου που ψήνεται σε γυαλί, μια μυστηριώδη ουσία γενικά. Το γυαλί αποτελείται από άτομα ή μόρια που είναι τυχαία διατεταγμένα όπως αυτά σε ένα υγρό, αλλά με κάποιο τρόπο κολλημένο, δεν μπορούν να ρέουν. Οι φυσικοί πιστεύουν ότι ο θόρυβος που είναι εγγενής στο γυαλί προέρχεται από μικρές ομάδες ατόμων που αλλάζουν μεταξύ δύο διαφορετικών διαμορφώσεων. Αυτά τα «συστήματα δύο επιπέδων» αλλάζουν τόσο ελαφρώς την απόσταση που διανύει το φως λέιζερ μεταξύ των κατόπτρων του LIGO, καθώς η επιφάνεια κάθε υαλώδους στρώματος μετατοπίζεται όσο το πλάτος ενός ατόμου.
«Το LIGO σε αυτό το σημείο περιορίζεται κυριολεκτικά από αυτό», είπε η Φράνσις Χέλμαν, ειδικός στο γυαλί στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ και μέλος της επιστημονικής ομάδας LIGO 1.000 ατόμων. Παρά την «εκπληκτική απομόνωση κραδασμών, την απόσβεση, όλα τα είδη που οδήγησαν στην εξαιρετική ευαισθησία των ανιχνευτών», είπε ο Χέλμαν, «το μόνο πράγμα από το οποίο δεν κατάφεραν να ξεφορτωθούν είναι αυτές οι αστείες μικρές ατομικές κινήσεις στον καθρέφτη επιστρώσεις.» Δεδομένου του χιλιοστού του ατόμου πλάτους των βαρυτικών κυμάτων που αναζητά το LIGO, οι ατομικές κινήσεις αποτελούν μεγάλο πρόβλημα.
Υπάρχει ελπίδα όμως. Τροφοδοτημένοι από πρόσφατες θεωρητικές γνώσεις σχετικά με τη φύση του γυαλιού, η ομάδα του Hellman και άλλοι αγωνίζονται να βρουν πιο τέλειο γυαλί για χρήση στους καθρέφτες του LIGO. Το Advanced LIGO Plus, η επόμενη επανάληψη του πειράματος, που έχει προγραμματιστεί να ξεκινήσει το 2024, θα απαιτήσει καθρέφτες λιγότερο από το ήμισυ θορυβώδεις από τους τρέχοντες. Σε συνδυασμό με άλλες αναβαθμίσεις, αυτή η βελτίωση θα μεταφραστεί σε επτά φορές περισσότερες ανιχνεύσεις βαρυτικών κυμάτων — περίπου μία κάθε λίγες ώρες.
Ήδη, οι ερευνητές έχουν βρει μερικά υποψήφια γυαλιά που θα μπορούσαν να ικανοποιήσουν τις απαιτήσεις σχεδιασμού, αλλά εξακολουθούν να ελπίζουν να ανακαλύψουν έναν ξεκάθαρο νικητή. «Για μεγάλο χρονικό διάστημα ήταν μια ελαφρώς τυχαία προσέγγιση», είπε ο Iain Martin, φυσικός γυαλιού στο Πανεπιστήμιο της Γλασκώβης που είναι επίσης μέλος του LIGO. "Τώρα είμαστε σε θέση να είμαστε πολύ πιο καθοδηγημένοι στην αναζήτησή μας."
Η ομάδα του Hellman αναζητά κάτι που προσεγγίζει το «ιδανικό γυαλί», μια υποθετική φάση της ύλης που είχε προβλεφθεί πριν από δεκαετίες. Τα μόρια στο ιδανικό γυαλί είναι θεωρητικά συσκευασμένα μαζί με την πιο πυκνή δυνατή τυχαία διάταξη, μια απόλυτα σταθερή κατάσταση που δεν έχει καθόλου συστήματα δύο επιπέδων. Το ιδανικό γυαλί, αν υπάρχει, θα εξηγούσε τι συμβαίνει σε όλα τα γυαλιά. θα ήταν η κατάσταση που προσπαθούν να φτάσουν τα μόρια στο κανονικό γυαλί.
Το 2007, η αναζήτηση για το ιδανικό γυαλί οδήγησε τον φυσικό Mark Ediger να εφεύρει μια νέα τεχνική κατασκευής γυαλιού που παράγει πολύ πιο σταθερό γυαλί από πριν. Αντί να ψύχουν ένα υγρό μέχρι να σκληρύνει, όπως έκαναν οι φυσητήρες γυαλιού εδώ και 4.000 χρόνια, ο Έντιγκερ και η ομάδα του έριξαν μόρια ένα-ένα σε μια επιφάνεια σαν να ήταν κομμάτια Tetris, επιτρέποντάς τους να βρουν άνετες εφαρμογές. Ένα πείραμα του 2014 από την Hellman και την ομάδα της στο Berkeley έδειξε ότι το «υπερσταθερό» γυαλί πυριτίου που δημιουργήθηκε με αυτόν τον τρόπο έχει πολύ λιγότερα συστήματα δύο επιπέδων από το κανονικό γυαλί.
Πριν από μερικά χρόνια, ο Hellman συνειδητοποίησε ότι το εξαιρετικά σταθερό γυαλί μπορεί επίσης να λειτουργήσει καλά για τους καθρέφτες του LIGO, επειδή θα υπέφερε λιγότερο από τον θόρυβο που τους ταλαιπωρεί αυτήν τη στιγμή. Το εξαιρετικά σταθερό πυρίτιο δεν θα λειτουργήσει, επειδή απορροφά πολύ φως με μήκος κύματος 1 micron, το μήκος κύματος του λέιζερ LIGO. Τα τελευταία δύο χρόνια, η ομάδα του Hellman έπαιξε με τις ιδιότητες του πυριτίου, του οξειδίου του τελλουρίου (τελλούρια), του οξειδίου του σεληνίου (σελήνια) και του οξειδίου του γερμανίου (γερμανία).
Ο Martin και η ομάδα του στη Γλασκώβη έχουν επικεντρώσει την επιδίωξή τους στο γυαλί που δεν έχει μια συγκεκριμένη μοριακή δομή που αποτελείται από μια διάταξη τεσσάρων μορίων που μοιάζει με πυραμίδα, όπου δύο από τα μόρια είναι επίσης μέρος ενός άλλου τετραέδρου. Η εργασία πέρυσι σε συνεργασία με ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ έδειξε ότι αυτές οι ρυθμίσεις οδηγούν σε περισσότερο θόρυβο - πιθανώς επειδή δημιουργούν περισσότερα συστήματα δύο επιπέδων - από δομές στις οποίες τα γειτονικά τετράεδρα στο γυαλί μοιράζονται μόνο ένα μόριο. Ο Μάρτιν βλέπει το γυαλί της Γερμανίας, το οποίο ευνοεί αυτές τις ρυθμίσεις χαμηλού θορύβου, ως μια πολλά υποσχόμενη αντικατάσταση για τα στρώματα ταντάλα στους καθρέφτες του LIGO. Η Germania από μόνη της αντανακλά πολύ λίγο φως, αλλά το ντόπινγκ με τιτάνιο μπορεί να βοηθήσει σε αυτό. (Τα άλλα στρώματα θα εξακολουθούσαν να είναι διοξείδιο του πυριτίου, όπως στους σημερινούς καθρέφτες.)
Η άλλη επιλογή που έχει εντοπιστεί μέχρι στιγμής, σύμφωνα με τον Martin, θα ήταν η χρήση του εξαιρετικά σταθερού πυριτίου της Hellman σε ορισμένα από τα στρώματα. Αυτός και οι συνεργάτες του έχουν βρει τρόπους μείωσης της απορρόφησης φωτός του πυριτίου στο λειτουργικό μήκος κύματος του LIGO. «Πιστεύουμε ότι είναι αρκετά χαμηλό ώστε να μπορεί πραγματικά να χρησιμοποιηθεί», είπε - αλλά μόνο στα κάτω στρώματα του καθρέφτη, όπου το μεγαλύτερο μέρος του φωτός έχει ήδη ανακλαστεί και έχει απομείνει πολύ λίγο για να είναι πρόβλημα η απορρόφηση. «Είναι πιθανό αυτό να συνδυαστεί ακόμη και με την ιδέα της Γερμανίας και να έχει γερμανία και πυρίτιο στο επάνω μέρος [του καθρέφτη] και πυρίτιο και πυρίτιο στο κάτω μισό», είπε ο Μάρτιν.
Η αρχική προθεσμία για την επιλογή ήταν η 30η Μαΐου, αλλά η ομάδα LIGO σκέφτεται μια παράταση έξι έως 18 μηνών λόγω της πανδημίας του κορωνοϊού. "Υπάρχει ακόμη πολλή δουλειά που πρέπει να γίνει πριν είμαστε σίγουροι για το ποια επίστρωση θα λειτουργήσει", είπε ο Martin, και όλη η εργαστηριακή έρευνα για αυτό το έργο έχει τεθεί σε επ' αόριστον αναμονή.
Φυσικά, εάν το τέλειο, εξαιρετικά σταθερό, χωρίς απορρόφηση γυαλί ανακαλυφθεί κάποια στιγμή μετά τη λήξη της προθεσμίας, θα μπορούσε να αλλάξει το πρόγραμμα του LIGO. "Αν μπορούσαμε να ρίξουμε τον θόρυβο κατά μια τάξη μεγέθους", είπε ο Χέλμαν, "θα σχεδίαζαν ένα νέο κλείσιμο."
Διόρθωση 17 Απριλίου 2020:Η αρχική έκδοση αυτού του άρθρου ανέφερε ότι οι καθρέφτες του LIGO έχουν 70 στρώματα και ότι το λέιζερ του λειτουργεί σε μήκος κύματος 1,5 microns. Αυτά είναι νούμερα για έναν πιθανό μελλοντικό σχεδιασμό. Στην τρέχουσα διαμόρφωσή του, οι καθρέφτες του LIGO έχουν 36 στρώματα και χρησιμοποιεί ένα λέιζερ 1 μικρού.
Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στις TheAtlantic.com και στα ισπανικά στο Investigacionyciencia.es.
