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高频引力波电磁谐振效应的最优参数选择与噪声初步分析

张璐  
【摘要】:引力波是爱因斯坦提出的关于广义相对论的四大预言之一。2016年2月11日,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)宣布人类首次直接探测到了引力波,这一发现引起了科学界的高度关注。同时,它鼓励了其他的引力波探测者在他们自己的频段去寻找引力波存在的证据。基于引力波和电磁场的相互作用,李芳昱教授原创性的提出了微波频段的引力波电磁谐振方案(也叫做“Li-Bake探测器”)。该方案中高频引力波同静磁场作用后和高斯束同步谐振,产生特定的可观测的电磁效应。它所针对的是高频带的探测,其频率范围在108 1014Hz,正好与其他探测方案形成频带上的互补,共同检验各宇宙模型的准确性。为了尽可能的扩大由引力波引起的效应,我们提出了几种优化电磁场和高频引力波共振效果的方法。第一,重新设置高斯束的纵向磁场分量为标准的高斯形式。第二,讨论由精质暴胀模型或者普通暴胀模型预言的遗迹引力波和膜世界模型预言的膜世界引力波产生的电磁效应。第三,在特定条件下,分析了背景噪声,给出了散粒噪声下的探测宽度,而且得出了标准量子极限噪声对我们探测没有影响。根据最大信噪比原理,我们找到了最佳的系统参数,展示了能流积累的有效宽度和频率的关系。第四,通过使用波阻抗匹配原理,去除了背景电磁场的干扰。通过以上这些方法,横向的信号光子流的最大值和相对强度有了显著的提高。最后,为了使我们的理论研究获得实验的检验,而且考虑到现实的可操作性,我们提出了引力波电磁谐振效应的等效模拟实验。这也是我们由理论向实验迈进的关键一步。


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