Observation of a kilogram-scale oscillator near its quantum ground state

Creators: Abbott, B. P.; Abbott, R.; Adhikari, Rana X.; Ajith, P.; Allen, B.; Allen, G.; Amin, R.; Anderson, S. B.; Anderson, W. G.; Arain, M. A.; Araya, M.; Armandula, H.; Armor, P.; Aso, Y.; Aufmuth, P.; Aulbert, C.; Babak, S.; Ballmer, S.; Bantilan, H.; Barish, B. C.; Barker, C.; Barker, D.; Barr, B.; Barriga, P.; Barton, M. A.; Bastarrika, M.; Bayer, K.; Betzwieser, J.; Beyersdorf, P. T.; Bilenko, I. A.; Billingsley, G.; Biswas, R.; Black, E.; Blackburn, K.; Blackburn, K.; Blair, D.; Bland, B.; Bodiya, T. P.; Bogue, L.; Bork, R.; Boschi, V.; Bose, S.; Brady, P. R.; Braginsky, V. B.; Brau, J. E.; Brinkmann, M.; Brooks, A.; Brown, D. A.; Brunet, G.; Bullington, A.; Buonanno, A.; Burmeister, O.; Byer, R. L.; Cadonati, L.; Cagnoli, G.; Camp, J. B.; Cannizzo, J.; Cannon, K.; Cao, J.; Cardenas, L.; Casebolt, T.; Castaldi, G.; Cepeda, C.; Chalkley, E.; Charlton, P.; Chatterji, S.; Chelkowski, S.; Chen, Y.; Christensen, N.; Clark, D.; Clark, J.; Cokelaer, T.; Conte, R.; Cook, D.; Corbitt, T.; Coyne, D.; Creighton, J. D. E.; Cumming, A.; Cunningham, L.; Cutler, R. M.; Dalrymple, J.; Danilishin, S.; Danzmann, K.; Davies, G.; DeBra, D.; Degallaix, J.; Degree, M.; Dergachev, V.; Desai, S.; DeSalvo, R.; Dhurandhar, S.; Díaz, M.; Dickson, J.; Dietz, A.; Donovan, F.; Dooley, K. L.; Doomes, E. E.; Drever, R. W. P.; Duke, I.; Dumas, J.-C.; Dupuis, R. J.; Dwyer, J. G.; Echols, C.; Effler, A.; Ehrens, P.; Espinoza, E.; Etzel, T.; Evans, T.; Fairhurst, S.; Fan, Y.; Fazi, D.; Fehrmann, H.; Fejer, M. M.; Finn, L. S.; Flasch, K.; Fotopoulos, N.; Freise, A.; Frey, R.; Fricke, T.; Fritschel, P.; Frolov, V. V.; Fyffe, M.; Garofoli, J.; Gholami, I.; Giaime, J. A.; Giampanis, S.; Giardina, K. D.; Goda, K.; Goetz, E.; Goggin, L.; González, G.; Gossler, S.; Gouaty, R.; Grant, A.; Gras, S.; Gray, C.; Gray, M.; Greenhalgh, R. J. S.; Gretarsson, A. M.; Grimaldi, F.; Grosso, R.; Grote, H.; Grunewald, S.; Guenther, M.; Gustafson, E. K.; Gustafson, R.; Hage, B.; Hallam, J. M.; Hammer, D.; Hanna, C.; Hanson, J.; Harms, J.; Harry, G.; Harstad, E.; Hayama, K.; Hayler, T.; Heefner, J.; Heng, I. S.; Hennessy, M.; Heptonstall, A.; Hewitson, M.; Hild, S.; Hirose, E.; Hoak, D.; Hosken, D.; Hough, J.; Huttner, S. H.; Ingram, D.; Ivanov, A.; Johnson, B.; Johnson, W. W.; Jones, D. I.; Jones, G.; Jones, R.; Ju, L.; Kalmus, P.; Kalogera, V.; Kamat, S.; Kanner, J.; Kasprzyk, D.; Katsavounidis, E.; Kawabe, K.; Kawamura, S.; Kawazoe, F.; Kells, W.; Keppel, D. G.; Khalili, F. Ya.; Khan, R.; Khazanov, E.; Kim, C.; King, P.; Kissel, J. S.; Klimenko, S.; Kokeyama, K.; Kondrashov, V.; Kopparapu, R. K.; Kozak, D.; Kozhevatov, I.; Krishnan, B.; Kwee, P.; Lam, P. K.; Landry, M.; Lang, M. M.; Lantz, B.; Lazzarini, A.; Lei, M.; Leindecker, N.; Leonhardt, V.; Leonor, I.; Libbrecht, K.; Lin, H.; Lindquist, P.; Lockerbie, N. A.; Lodhia, D.; Lormand, M.; Lu, P.; Lubinski, M.; Lucianetti, A.; Lück, H.; Machenschalk, B.; MacInnis, M.; Mageswaran, M.; Mailand, K.; Mandic, V.; Márka, S.; Márka, Z.; Markosyan, A.; Markowitz, J.; Maros, E.; Martin, I.; Martin, R. M.; Marx, J. N.; Mason, K.; Matichard, F.; Matone, L.; Matzner, R.; Mavalvala, N.; McCarthy, R.; McClelland, D. E.; McGuire, S. C.; McHugh, M.; McIntyre, G.; McIvor, G.; McKechan, D.; McKenzie, K.; Meier, T.; Melissinos, A.; Mendell, G.; Mercer, R. A.; Meshkov, S.; Messenger, C. J.; Meyers, D.; Miao, H.; Miller, J.; Minelli, J.; Mitra, S.; Mitrofanov, V. P.; Mitselmakher, G.; Mittleman, R.; Miyakawa, O.; Moe, B.; Mohanty, S.; Moreno, G.; Mossavi, K.; Mow-Lowry, C.; Mueller, G.; Mukherjee, S.; Mukhopadhyay, H.; Müller-Ebhardt, H.; Munch, J.; Murray, P.; Myers, E.; Myers, J.; Nash, T.; Nelson, J.; Newton, G.; Nishizawa, A.; Numata, K.; O'Dell, J.; Ogin, G.; O'Reilly, B.; O'Shaughnessy, R.; Ottaway, D. J.; Ottens, R. S.; Overmier, H.; Owen, B. J.; Pan, Y.; Pankow, C.; Papa, M. A.; Parameshwaraiah, V.; Patel, P.; Pedraza, M.; Penn, S.; Perreca, A.; Petrie, T.; Pinto, I. M.; Pitkin, M.; Pletsch, H. J.; Plissi, M. V.; Postiglione, F.; Principe, M.; Prix, R.; Quetschke, V.; Raab, F.; Rabeling, D. S.; Radkins, H.; Rainer, N.; Rakhmanov, M.; Ramsunder, M.; Rehbein, H.; Reid, S.; Reitze, D. H.; Riesen, R.; Riles, K.; Rivera, B.; Robertson, N. A.; Robinson, C.; Robinson, E. L.; Roddy, S.; Rodriguez, A.; Rogan, A. M.; Rollins, J.; Romano, J. D.; Romie, J.; Route, R.; Rowan, S.; Rüdiger, A.; Ruet, L.; Russell, P.; Ryan, K.; Sakata, S.; Samidi, M.; Sancho de la Jordana, L.; Sandberg, V.; Sannibale, V.; Saraf, S.; Sarin, P.; Sathyaprakash, B. S.; Sato, S.; Saulson, P. R.; Savage, R.; Savov, P.; Schediwy, S. W.; Schilling, R.; Schnabel, R.; Schofield, R.; Schutz, B. F.; Schwinberg, P.; Scott, S. M.; Searle, A. C.; Sears, B.; Seifert, F.; Sellers, D.; Sengupta, A. S.; Shawhan, P.; Shoemaker, D. H.; Sibley, A.; Siemens, X.; Sigg, D.; Sinha, S.; Sintes, A. M.; Slagmolen, B. J. J.; Slutsky, J.; Smith, J. R.; Smith, M. R.; Smith, N. D.; Somiya, K.; Sorazu, B.; Stein, L. C.; Stochino, A.; Stone, R.; Strain, K. A.; Strom, D. M.; Stuver, A.; Summerscales, T. Z.; Sun, K. -X.; Sung, M.; Sutton, P. J.; Takahashi, H.; Tanner, D. B.; Taylor, R.; Thacker, J.; Thorne, K. A.; Thorne, K. S.; Thüring, A.; Tokmakov, K. V.; Torres, C.; Torrie, C.; Traylor, G.; Trias, M.; Tyler, W.; Ugolini, D.; Ulmen, J.; Urbanek, K.; Vahlbruch, H.; Van Den Broeck, C.; van der Sluys, M.; Vass, S.; Vaulin, R.; Vecchio, A.; Veitch, J.; Veitch, P.; Villar, A.; Vorvick, C.; Vyatchanin, S. P.; Waldman, S. J.; Wallace, L.; Ward, H.; Ward, R.; Weinert, M.; Weiss, R.; Wen, S.; Wette, K.; Whelan, J. T.; Whitcomb, S. E.; Whiting, B. F.; Wilkinson, C.; Willems, P. A.; Williams, H. R.; Williams, L.; Willke, B.; Wilmut, I.; Winkler, W.; Wipf, C. C.; Wiseman, A. G.; Woan, G.; Wooley, R.; Worden, J.; Wu, W.; Yakushin, I.; Yamamoto, H.; Yan, Z.; Yoshida, S.; Zanolin, M.; Zhang, J.; Zhang, L.; Zhao, C.; Zotov, N.; Zucker, M.; Zweizig, J.; Weinstein, Alan J.; LIGO Scientific Collaboration

Abstract

We introduce a novel cooling technique capable of approaching the quantum ground state of a kilogram-scale system—an interferometric gravitational wave detector. The detectors of the Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) operate within a factor of 10 of the standard quantum limit (SQL), providing a displacement sensitivity of 10^(−18) m in a 100 Hz band centered on 150 Hz. With a new feedback strategy, we dynamically shift the resonant frequency of a 2.7 kg pendulum mode to lie within this optimal band, where its effective temperature falls as low as 1.4 μK, and its occupation number reaches about 200 quanta. This work shows how the exquisite sensitivity necessary to detect gravitational waves can be made available to probe the validity of quantum mechanics on an enormous mass scale.

Additional Information

Attached Files

Published - Abbott2009p5529New_J_Phys.pdf

Files

Abbott2009p5529New_J_Phys.pdf

Files (2.6 MB)

Name	Size	Download all
Abbott2009p5529New_J_Phys.pdf md5:d902a156818b9c7cebb6180a856e12e7	2.6 MB	Preview Download

Additional details

	All versions	This version
Views	8	8
Downloads	3	3
Data volume	7.8 MB	7.8 MB