Ломоносовская премия - 2016: С.П.Вятчанин, В.П.Митрофанов, Ф.Я.Халили

В сентябре 2015 г. двумя интерферометрами LIGO (Laser Interferometric Gravitational-Wave Observatory) был впервые зарегистрирован гравитационно-волновой сигнал от слияния двух чёрных дыр. Этому событию предшествовали несколько десятков лет напряжённой работы учёных и инженеров. Научные исследования, связанные с проектом LIGO, выполняются в рамках международной организации LIGO Scientific Collaboration, которая в настоящий момент объединяет более тысячи учёных из 15 стран. Россия представлена двумя научными коллективами: группой физического факультета МГУ и группой Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород). Группа МГУ создана В.Б. Брагинским, который вплоть до своей кончины в марте 2016 г. был её руководителем. Основные исполнители проекта участвуют в проекте LIGO с момента его основания в 1992 г. За это время ими выполнен цикл уникальных экспериментальных и теоретических исследований, объединённых общей тематикой повышения чувствительности в высокоточных измерениях, и в частности, в детекторах гравитационных волн. Теоретические и экспериментальные исследования учёных МГУ нашли своё воплощение при создании детекторов, позволивших непосредственно наблюдать гравитационные волны от слияния двух чёрных дыр. В процессе работы над проектом LIGO авторами получены результаты, имеющие принципиальное значение для проекта поиска гравитационных волн:

1. На основе детальных исследований механических потерь в резонаторах из плавленого кварца, сапфира и кремния в широком диапазоне температур, разработаны методы достижения максимальной добротности в механических колебательных системах, что позволило значительно подавить их тепловой шум. Создан маятник из плавленого кварца, с рекордным временем релаксации механических колебаний, превышающим 5 лет. Он стал прототипом монолитных подвесов пробных масс, используемых в настоящее время детекторами LIGO. Разработаны методы, позволяющие минимизировать дополнительные шумы, связанные с накоплением и миграцией электрических зарядов на поверхности кварцевых масс.

2. Впервые указано на решающую роль термоупругих и терморефрактивных шумов, приводящих к случайным колебаниям поверхности зеркал интерферометра. Предсказанный высокий уровень термоупругих шумов в сапфире послужил основанием для отказа от первоначального плана по использованию зеркал из этого материала в детекторах LIGO второго поколения в пользу зеркал из плавленого кварца.

3. Предсказано, что большая мощность оптического излучения в плечах гравитационно-волнового интерферометра может приводить к нежелательным эффектам, в частности к параметрическому возбуждению, приводящему к перекачке энергии из основной оптической моды в моду упругих колебаний зеркал. Эффект был предсказан в 2000 г., а впервые наблюдался в интерферометрах LIGO в 2015. Также были предложены методы его подавления.

4. Разработаны основы квантовой теории измерений, предложены уникальные методы подавления квантовых флуктуаций света в детекторах гравитационных волн и преодоления т.н. стандартного квантового предела чувствительности, предсказанного В.Б.Брагинским в 1968 г. Разработаны системы, которые рассматриваются как основные для реализации в детекторах гравитационных волн следующего поколения, в частности, схемы квантового вариационного измерения и квантового измерителя скорости.