Ginger

ginger x web

 

Introduzione

I giro-laser ad He-Ne sono considerati, allo stato, i sensori più accurati per misure di rotazioni. A seconda delle loro dimensioni trovano applicazione in diversi campi delle scienze e della tecnica, dai sistemi di navigazione aerea, navale e spaziale, all’ingegneria strutturale, dalla metrologia, alla geofisica ed, infine, alla fisica fondamentale. GINGER (Gyroscopes IN GEneral Relativity) indica un sistema triassiale di giroscopi ad elevatissima sensibilità il cui obiettivo primario sarà la misura, in un laboratorio terrestre, dell’effetto Lense-Thirrin. Un effetto previsto dalla relatività generale per il campo gravitazionale generato da una massa rotante. Tale effetto si manifesta come una piccola perturbazione della frequenza di rivoluzione terrestre. Tale misura richiede di misurare la rotazione terrestre con un precisione di una parte su 1010. Questa stringente richiesta implica un altissimo livello di stabilità e di accuratezza del sistema laser e della configurazione geometrica dell’apparato. L’apparato andrà posizionato in un laboratorio sotterraneo onde ridurre gli effetti indotti dai rumori a bassa frequenza quali il carico del vento, i moti superficilai del suolo terrestre dovuti alle variazioni di temperatura e pressione, e la precipitazioni piovose. I laboratori del Gran Sasso assicurano, per la loro posizione sotterranea, garantiscono un ottimo isolamento da qualunque sorgenti di rumore superficiale. Dalla fine del 2014, GINGERino, un giroscopio di 3.6 m di lato, è stato installato non lontano dal nodo B dei LNGS allo scopo di misurare il rumore residuo a bassa frequenza all’interno dei laboratori e così verificare se questi rispondono ai requisiti per realizzare il sistema triassiale in vista della misura dell’effetto Lense-Thirring.

 

GINGERino

La misura del lense-Thirring come una piccola variazione del locale vettore rotazione terrestre richiede una sensibilità dell’ordine di 10-14 rad/s. I sistemi di navigazione inerziale basati su l’effetto Sagnac hanno tipicamente un’area <0.02 m2 e un sensibilità circa di 5x10-7 rad/s. Queste caratteristiche, sufficienti per is sistemi di navigazione, sono di diversi ordini di grandezza inferiori alle caratteristiche richieste dalle applicazioni scientifiche dei giro laser ed a maggior ragione per poter utilizzare un giro laser per misure di fisica fondamentale.
Il girolaser dalle prestazioni migliori attualmente in funzione è quello installato a Wettzell (in Baviera) e chiamato “Gross Ring G”. E’ un girolaser quadrato di 4 m di lato, montato su di un supporto monolitico di Zerodur, un materiale estremamente rigido e con un coefficiente di espansione termica prossimo allo zero. Il suo limite di risoluzione attuale è di circa 10-12 rad/s con un tempo di integrazione di 1000 s. Pur se questa sensibilità non è ancora sufficiente per poter immaginare di misurare gli effetti di relatività generale è possibile migliorare ulteriormente questo record attraverso l’aumento dell’area del detector, l’ottimizzazione del design tecnico/ingegneristico e complesse procedure di filtraggio del segnale per raggiunger, così, la sensibilità richiesta.
Un girolaser è un sensore di rotazione basato sull’efftto Sagnac, in cui due fasci laser contropropaganti lungo un percorso ad anello accumulano una differenza di fase proporzionale alla velocità angolare (locale) proiettata lungo il vettore area definito dalla superfice racchiusa dall’anello. La sua sensibilità dipende dalla lunghezza d’onda dell’emissione laser e dal rapporto tra l’area ed il perimetro dell’anello.
Le sorgenti di rumore che ne limitano l’accuratezza sono diverse. Tra queste vanno segnalate quelle dovute alla dinamica dell’emissione laser e alle variazioni della configurazione geometrica. Entrambe possono essere oggetto di complessi sistemi di controllo attivi per migliorare, in particolare, il duty-cycle dello strumento. Inoltre, un’ambiente in cui siano controllate temperatura, umidità e correnti d’aria risulta essenziale al funzionamento ed al successo di GINGER.
GINGERino, un prototipo di girolaser a singolo asse installato all’interno dei laboratori del Gran Sasso, mira a raggiungere la sensibilità di G ed a migliorarne le performance a tempi di integrazione lunghi in modo da poter misurare i rumori a bassa frequenza dovuti all’attività microsismica. L’analisi dei rumori residui all’interno dei LNGS rappresenta un importante fattore per poter procedere alla progettazione di GINGER ed alla sua installazione ottimale.
GINGERino è di forma quadrata con un lato di 3.6 m ed è stato installato alla fine del 2014 in prossimità del nodo B delle gallerie. Una zona lontana dalle attività umane. Ad oggi il laser è stato messo in funzione consentendo una prima osservazione diretta del segnale di Sagnac. L’apparato sperimentale è alloggiato in una camera anecoica necessaria a schermare il sistema dall’ambiente esterno che si presenta non confortevole in quanto a temperatura, circa 7 °C, ed umidità. La struttura è attualmente operativa e la tempEratura interna è di circa 18 °C.
Nel corso dei prossimi mesi (si veda lo stato dell’arte su https://web2.infn.it/GINGER/index.php/it/) verranno portati a termine numerosi interventi tecnici per portare l’apparato in acquisizione, sperabilmente, prima dell’estate del 2015.

 

 

 

Responsabile del progetto
Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo. (INFN Pisa)

 

 

Collaborazione

 

GINGER è un esperimento INFN (CSN 2) portato avanti dalle sezioni di Pisa, Napoli, LNL e Torino. Inoltre, all’esperimento collabora l’INGV (Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia) e, da poco, un gruppo del Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell’Università di Padova. Infine sono a vario titolo coinvolti i Proff. U. Hugentobler e U.K. Schreiber della Technical University of Munich (TUM - Germany), il Prof. Heiner Igel della Ludwig Maximilians University Munich (LMU – Germany) ed il Prof. J.P. Wells della University of Canterbury (Christchurch - New Zealand).

 

 

Pubblicazioni recenti

 

Beverini N, Allegrini M, Beghi A, Belfi J, Bouhadef B, Calamai M, Carelli G, Cuccato D, Di Virgilio A, Maccioni E, Ortolan A, Porzio A, Santagata R, Solimeno S, Tartaglia A, “Measuring general relativity effects in a terrestrial lab by means of laser gyroscopes”, LASER PHYSICS, 24-7, 074005 (2014).

 

Belfi J, Beverini N, Cuccato D, Di Virgilio A, Maccioni E, Ortolan A, Santagata R, “Interferometric length metrology for the dimensional control of ultra-stable ring laser gyroscopes”, CLASSICAL AND QUANTUM GRAVITY, 31-22, 225003 (2014).

 

Di Virgilio Angela, Allegrini Maria, Beghi Alessandro, Belfi Jacopo, Beverini Nicolo, Bosi Filippo, Bouhadef Bachir, Calamai Massimo, Carelli Giorgio, Cuccato Davide, Maccioni Enrico, Ortolan Antonello, Passeggio Giuseppe, Porzio Alberto, Ruggiero Matteo Luca, Santagata Rosa, Tartaglia Angelo, “A ring lasers array for fundamental physics”, COMPTES RENDUS PHYSIQUE, 15-10, (2014).

 

R. Santagata, A. Beghi, J. Belfi, N. Beverini, D. Cuccato, A. Di Virgilio, A. Ortolan, A. Porzio, S. Solimeno, “Optimization of the geometrical stability in square ring laser gyroscopes”, Class. Quantum Grav. 32:055013 (2015).

 
Sito ufficiale