Exploring the Sensitivity of Next Generation Gravitational Wave Detectors
B. P. Abbott, R. Abbott, T. D. Abbott, M. R. Abernathy, K. Ackley, C. Adams, P. Addesso, R. X. Adhikari, V. B. Adya, C. Affeldt, N. Aggarwal, O. D. Aguiar, A. Ain, P. Ajith, B. Allen, P. A. Altin, S. B. Anderson, W. G. Anderson, K. Arai, M. C. Araya, C. C. Arceneaux, J. S. Areeda, K. G. Arun, G. Ashton, M. Ast, S. M. Aston, P. Aufmuth, C. Aulbert, S. Babak, P. T. Baker, S. W. Ballmer, J. C. Barayoga, S. E. Barclay, B. C. Barish, D. Barker, B. Barr, L. Barsotti, J. Bartlett, I. Bartos, R. Bassiri, J. C. Batch, C. Baune, A. S. Bell, B. K. Berger, G. Bergmann, C. P. L. Berry, J. Betzwieser, S. Bhagwat, R. Bhandare, I. A. Bilenko, G. Billingsley, J. Birch, R. Birney, S. Biscans, A. Bisht, C. Biwer, J. K. Blackburn, C. D. Blair, D. G. Blair, R. M. Blair, O. Bock, C. Bogan, A. Bohe, C. Bond, R. Bork, S. Bose, P. R. Brady, V. B. Braginsky, J. E. Brau, M. Brinkmann, P. Brockill, J. E. Broida, A. F. Brooks, D. A. Brown, D. D. Brown, N. M. Brown, S. Brunett, C. C. Buchanan, A. Buikema, A. Buonanno, R. L. Byer, M. Cabero, L. Cadonati, C. Cahillane, J. Calder'on Bustillo, T. Callister, J. B. Camp, K. C. Cannon, J. Cao, C. D. Capano, S. Caride, S. Caudill, M. Cavagli`a, C. B. Cepeda, S. J. Chamberlin, M. Chan, S. Chao, P. Charlton, B. D. Cheeseboro, H. Y. Chen, Y. Chen, C. Cheng, H. S. Cho, M. Cho, J. H. Chow, N. Christensen, Q. Chu, S. Chung, G. Ciani, F. Clara, J. A. Clark, C. G. Collette, L. Cominsky, M. Constancio, D. Cook, T. R. Corbitt, N. Cornish, A. Corsi, C. A. Costa, M. W. Coughlin, S. B. Coughlin, S. T. Countryman, P. Couvares, E. E. Cowan, D. M. Coward, M. J. Cowart, D. C. Coyne, R. Coyne, K. Craig, J. D. E. Creighton, J. Cripe, S. G. Crowder, A. Cumming, L. Cunningham, T. Dal Canton, S. L. Danilishin, K. Danzmann, N. S. Darman, A. Dasgupta, C. F. Da Silva Costa, I. Dave, G. S. Davies, E. J. Daw, S. De, D. DeBra, W. Del Pozzo, T. Denker, T. Dent, V. Dergachev, R. T. DeRosa, R. DeSalvo, R. C. Devine, S. Dhurandhar, M. C. D'iaz, I. Di Palma, F. Donovan, K. L. Dooley, S. Doravari, R. Douglas, T. P. Downes, M. Drago, R. W. P. Drever, J. C. Driggers, S. E. Dwyer, T. B. Edo, M. C. Edwards, A. Effler, H. -B. Eggenstein, P. Ehrens, J. Eichholz, S. S. Eikenberry, W. Engels, R. C. Essick, T. Etzel, M. Evans, T. M. Evans, R. Everett, M. Factourovich, H. Fair, S. Fairhurst, X. Fan, Q. Fang, B. Farr, W. M. Farr, M. Favata, M. Fays, H. Fehrmann, M. M. Fejer, E. Fenyvesi, E. C. Ferreira, R. P. Fisher, M. Fletcher, Z. Frei, A. Freise, R. Frey, P. Fritschel, V. V. Frolov, P. Fulda, M. Fyffe, H. A. G. Gabbard, J. R. Gair, S. G. Gaonkar, G. Gaur, N. Gehrels, P. Geng, J. George, L. Gergely, Abhirup Ghosh, Archisman Ghosh, J. A. Giaime, K. D. Giardina, K. Gill, A. Glaefke, E. Goetz, R. Goetz, L. Gondan, G. Gonz'alez, A. Gopakumar, N. A. Gordon, M. L. Gorodetsky, S. E. Gossan, C. Graef, P. B. Graff, A. Grant, S. Gras, C. Gray, A. C. Green, H. Grote, S. Grunewald, X. Guo, A. Gupta, M. K. Gupta, K. E. Gushwa, E. K. Gustafson, R. Gustafson, J. J. Hacker, B. R. Hall, E. D. Hall, G. Hammond, M. Haney, M. M. Hanke, J. Hanks, C. Hanna, M. D. Hannam, J. Hanson, T. Hardwick, G. M. Harry, I. W. Harry, M. J. Hart, M. T. Hartman, C. -J. Haster, K. Haughian, M. C. Heintze, M. Hendry, I. S. Heng, J. Hennig, J. Henry, A. W. Heptonstall, M. Heurs, S. Hild, D. Hoak, K. Holt, D. E. Holz, P. Hopkins, J. Hough, E. A. Houston, E. J. Howell, Y. M. Hu, S. Huang, E. A. Huerta, B. Hughey, S. Husa, S. H. Huttner, T. Huynh-Dinh, N. Indik, D. R. Ingram, R. Inta, H. N. Isa, M. Isi, T. Isogai, B. R. Iyer, K. Izumi, H. Jang, K. Jani, S. Jawahar, L. Jian, F. Jim'enez-Forteza, W. W. Johnson, D. I. Jones, R. Jones, L. Ju, Haris K, C. V. Kalaghatgi, V. Kalogera, S. Kandhasamy, G. Kang, J. B. Kanner, S. J. Kapadia, S. Karki, K. S. Karvinen, M. Kasprzack, E. Katsavounidis, W. Katzman, S. Kaufer, T. Kaur, K. Kawabe, M. S. Kehl, D. Keitel, D. B. Kelley, W. Kells, R. Kennedy, J. S. Key, F. Y. Khalili, S. Khan, Z. Khan, E. A. Khazanov, N. Kijbunchoo, Chi-Woong Kim, Chunglee Kim, J. Kim, K. Kim, N. Kim, W. Kim, Y. -M. Kim, S. J. Kimbrell, E. J. King, P. J. King, J. S. Kissel, B. Klein, L. Kleybolte, S. Klimenko, S. M. Koehlenbeck, V. Kondrashov, A. Kontos, M. Korobko, W. Z. Korth, D. B. Kozak, V. Kringel, C. Krueger, G. Kuehn, P. Kumar, R. Kumar, L. Kuo, B. D. Lackey, M. Landry, J. Lange, B. Lantz, P. D. Lasky, M. Laxen, A. Lazzarini, S. Leavey, E. O. Lebigot, C. H. Lee, H. K. Lee, H. M. Lee, K. Lee, A. Lenon, J. R. Leong, Y. Levin, J. B. Lewis, T. G. F. Li, A. Libson, T. B. Littenberg, N. A. Lockerbie, A. L. Lombardi, L. T. London, J. E. Lord, M. Lormand, J. D. Lough, H. L"uck, A. P. Lundgren, R. Lynch, Y. Ma, B. Machenschalk, M. MacInnis, D. M. Macleod, F. Magaña-Sandoval, L. Magaña Zertuche, R. M. Magee, V. Mandic, V. Mangano, G. L. Mansell, M. Manske, S. M'arka, Z. M'arka, A. S. Markosyan, E. Maros, I. W. Martin, D. V. Martynov, K. Mason, T. J. Massinger, M. Masso-Reid, F. Matichard, L. Matone, N. Mavalvala, N. Mazumder, R. McCarthy, D. E. McClelland, S. McCormick, S. C. McGuire, G. McIntyre, J. McIver, D. J. McManus, T. McRae, S. T. McWilliams, D. Meacher, G. D. Meadors, A. Melatos, G. Mendell, R. A. Mercer, E. L. Merilh, S. Meshkov, C. Messenger, C. Messick, P. M. Meyers, H. Miao, H. Middleton, E. E. Mikhailov, A. L. Miller, A. Miller, B. B. Miller, J. Miller, M. Millhouse, J. Ming, S. Mirshekari, C. Mishra, S. Mitra, V. P. Mitrofanov, G. Mitselmakher, R. Mittleman, S. R. P. Mohapatra, B. C. Moore, C. J. Moore, D. Moraru, G. Moreno, S. R. Morriss, K. Mossavi, C. M. Mow-Lowry, G. Mueller, A. W. Muir, Arunava Mukherjee, D. Mukherjee, S. Mukherjee, N. Mukund, A. Mullavey, J. Munch, D. J. Murphy, P. G. Murray, A. Mytidis, R. K. Nayak, K. Nedkova, T. J. N. Nelson, A. Neunzert, G. Newton, T. T. Nguyen, A. B. Nielsen, A. Nitz, D. Nolting, M. E. N. Normandin, L. K. Nuttall, J. Oberling, E. Ochsner, J. O'Dell, E. Oelker, G. H. Ogin, J. J. Oh, S. H. Oh, F. Ohme, M. Oliver, P. Oppermann, Richard J. Oram, B. O'Reilly, R. O'Shaughnessy, D. J. Ottaway, H. Overmier, B. J. Owen, A. Pai, S. A. Pai, J. R. Palamos, O. Palashov, A. Pal-Singh, H. Pan, C. Pankow, F. Pannarale, B. C. Pant, M. A. Papa, H. R. Paris, W. Parker, D. Pascucci, Z. Patrick, B. L. Pearlstone, M. Pedraza, L. Pekowsky, A. Pele, S. Penn, A. Perreca, L. M. Perri, M. Phelps, V. Pierro, I. M. Pinto, M. Pitkin, M. Poe, A. Post, J. Powell, J. Prasad, J. Pratt, V. Predoi, T. Prestegard, L. R. Price, M. Prijatelj, M. Principe, S. Privitera, L. Prokhorov, O. Puncken, M. P"urrer, H. Qi, J. Qin, S. Qiu, V. Quetschke, E. A. Quintero, R. Quitzow-James, F. J. Raab, D. S. Rabeling, H. Radkins, P. Raffai, S. Raja, C. Rajan, M. Rakhmanov, V. Raymond, J. Read, C. M. Reed, S. Reid, D. H. Reitze, H. Rew, S. D. Reyes, K. Riles, M. Rizzo, N. A. Robertson, R. Robie, J. G. Rollins, V. J. Roma, G. Romanov, J. H. Romie, S. Rowan, A. R"udiger, K. Ryan, S. Sachdev, T. Sadecki, L. Sadeghian, M. Sakellariadou, M. Saleem, F. Salemi, A. Samajdar, L. Sammut, E. J. Sanchez, V. Sandberg, B. Sandeen, J. R. Sanders, B. S. Sathyaprakash, P. R. Saulson, O. E. S. Sauter, R. L. Savage, A. Sawadsky, P. Schale, R. Schilling, J. Schmidt, P. Schmidt, R. Schnabel, R. M. S. Schofield, A. Sch"onbeck, E. Schreiber, D. Schuette, B. F. Schutz, J. Scott, S. M. Scott, D. Sellers, A. S. Sengupta, A. Sergeev, D. A. Shaddock, T. Shaffer, M. S. Shahriar, M. Shaltev, B. Shapiro, P. Shawhan, A. Sheperd, D. H. Shoemaker, D. M. Shoemaker, K. Siellez, X. Siemens, D. Sigg, A. D. Silva, A. Singer, L. P. Singer, A. Singh, R. Singh, A. M. Sintes, B. J. J. Slagmolen, J. R. Smith, N. D. Smith, R. J. E. Smith, E. J. Son, B. Sorazu, T. Souradeep, A. K. Srivastava, A. Staley, M. Steinke, J. Steinlechner, S. Steinlechner, D. Steinmeyer, B. C. Stephens, R. Stone, K. A. Strain, N. A. Strauss, S. Strigin, R. Sturani, A. L. Stuver, T. Z. Summerscales, L. Sun, S. Sunil, P. J. Sutton, M. J. Szczepa'nczyk, D. Talukder, D. B. Tanner, M. T'apai, S. P. Tarabrin, A. Taracchini, R. Taylor, T. Theeg, M. P. Thirugnanasambandam, E. G. Thomas, M. Thomas, P. Thomas, K. A. Thorne, E. Thrane, V. Tiwari, K. V. Tokmakov, K. Toland, C. Tomlinson, Z. Tornasi, C. V. Torres, C. I. Torrie, D. T"oyr"a, G. Traylor, D. Trifir`o, M. Tse, D. Tuyenbayev, D. Ugolini, C. S. Unnikrishnan, A. L. Urban, S. A. Usman, H. Vahlbruch, G. Vajente, G. Valdes, D. C. Vander-Hyde, A. A. van Veggel, S. Vass, R. Vaulin, A. Vecchio, J. Veitch, P. J. Veitch, K. Venkateswara, S. Vinciguerra, D. J. Vine, S. Vitale, T. Vo, C. Vorvick, D. V. Voss, W. D. Vousden, S. P. Vyatchanin, A. R. Wade, L. E. Wade, M. Wade, M. Walker, L. Wallace, S. Walsh, H. Wang, M. Wang, X. Wang, Y. Wang, R. L. Ward, J. Warner, B. Weaver, M. Weinert, A. J. Weinstein, R. Weiss, L. Wen, P. Wessels, T. Westphal, K. Wette, J. T. Whelan, B. F. Whiting, R. D. Williams, A. R. Williamson, J. L. Willis, B. Willke, M. H. Wimmer, W. Winkler, C. C. Wipf, H. Wittel, G. Woan, J. Woehler, J. Worden, J. L. Wright, D. S. Wu, G. Wu, J. Yablon, W. Yam, H. Yamamoto, C. C. Yancey, H. Yu, M. Zanolin, M. Zevin, L. Zhang, M. Zhang, Y. Zhang, C. Zhao, M. Zhou, Z. Zhou, X. J. Zhu, M. E. Zucker, S. E. Zuraw, J. Zweizig, J. Harms
TL;DR
This paper addresses how next-generation ground-based gravitational-wave detectors can reach cosmological distances with high signal-to-noise, enabling transformative science. It defines target sensitivity for a 40 km detector (Cosmic Explorer) and presents simple scaling relations for dominant noise sources—quantum noise, coating thermal noise, Newtonian noise, suspended/seismic noise, and residual gas noise. It discusses feasible R&D directions (squeezing, cryogenics, larger optics, advanced suspensions, NN cancellation) to attain these targets and compares 40 km performance with the Einstein Telescope baseline. Key science outcomes highlighted include high-SNR CBC detections at high redshift, EOS constraints, tests of GR, and potential observations of extragalactic core-collapse supernovae.
Abstract
The second-generation of gravitational-wave detectors are just starting operation, and have already yielding their first detections. Research is now concentrated on how to maximize the scientific potential of gravitational-wave astronomy. To support this effort, we present here design targets for a new generation of detectors, which will be capable of observing compact binary sources with high signal-to-noise ratio throughout the Universe.
