高频引力波探测系统的信号特性及噪声研究

In this work, we focus on the characteristics of transverse photon flux in the electromagnetic coupling system of High Frequency (f～10^9-10^12Hz) Gravitational waves, which contain space distribution,decay behavior,energy flow and all the physical effects from above characteristics. Space distribution determines the optimal detection position; Decay behavior gives the theoretical basis for enhancing signal strength; Energy flow provides the visual image of High Frequency Gravitational Waves detection. The system noise analysis covers all the possible noise sources, and gives experimental evidence for joint detection program. This work has an important role in general relativity, particle physics, astronomy physics, string theory and other astrophysics areas.

本项目针对高频引力波（f～10^9-10^12Hz）电磁耦合系统的横向光子流特性和系统噪声进行研究。主要涉及其空间分布、衰减行为、能流方向以及由这些特性带来的物理效应。空间分布能确定探测的最佳位置；衰减行为为提高信号强度提供理论基础；能流方向为高频引力波探测提供直观图像。系统噪声分析综合讨论了各种可能的噪声源,并为联合探测方案提供实验依据。上述研究结果在广义相对论、粒子物理、天文物理、弦论等领域具有重要的作用。

本项目针对高频引力波探测工作进行研究。高频遗迹引力波、亚毫米额外维模型预期的高频引力波和其它高能条件下可能产生的高频引力波的研究，还覆盖了许多物理学中的重要课题,例如：时间的起点和单向性、空间的维数、极早期宇宙、黑洞物理、暗能量和暗物质的本质等。. 我们首先从理论上研究了电磁场与引力场的谐振效应，将该效应应用于独立的两套系统（即高斯型微波光子流-分形-静磁场耦合电磁系统（I型系统）和分形-超导-静磁场开放腔系统（II型系统））并观察其对GHz频带高频引力波的谐振响应。其次分析其特征给出准确的横向光子流解析表达式。然后，我们进行了初步的信号分析工作，包括利用等功率近似的方法分析噪声。在噪声分析的过程中，我们进一步确定了最优实验参数。最后我们将多台仪器放置在不同位置，利用联合探测的相关性分析，找得了提高系统灵敏度的途径。. 经过近3年的工作，我们发现（1）额外维模型下,我们系统的探测灵敏度会较传统宇宙学模型下的遗迹引力波探测提高4-6个数量级,大大提高了引力波的可探测性。（2）高斯束光腰、频率对系统灵敏度影响较大,但带宽的影响可以忽略，并结合信噪比找到了实验观测的最佳参数组合。（3）噪声分析方面,我们在考虑散粒噪声的基础上,分析了系统的量子极限噪声,通过详细的计算发现我们的仪器灵敏度不会受到量子极限噪声的限制。（4）联合探测相关性分析结果表明，我们的系统在最优实验参数条件下可以提高2-3个数量级。在研究过程中我们得到了很多重要数据，包括：光腰序列对信号强度的影响，散粒噪声与横向坐标的对应数据、传统宇宙暴涨模型和额外维宇宙模型中高频引力波的强度分布数据、高斯束初始相位的取值与信号强度的对应数据等。. 通过本项目的实施，我们定量分析并且有效地去掉背景噪声以及散粒噪声等的影响，进一步完善了引力波与电磁波相互作用的实验分析工作。这些将为进一步提高此方案的灵敏度提供重要的理论依据。