I la rivelazione delle onde gravitazionali



Scaricare 2.17 Mb.
Pagina1/2
29.03.2019
Dimensione del file2.17 Mb.
  1   2

Università degli studi di Pisa

Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali

Corso di Laurea in Fisica


L’attenuazione del rumore sismico nel rivelatore di onde gravitazionali VIRGO

Candidato

Paolo Alberto Ruggi

Relatore


Dott. Stefano Braccini

Marzo 2003


Indice generale
INTRODUZIONE 7

I - La rivelazione delle onde gravitazionali 9

I - 1 Cenni di fisica delle onde gravitazionali 11

I - 1.1 La teoria di Einstein della gravitazione 11

I - 1.2 La propagazione del campo gravitazionale 14

I - 1.3 L’interazione di un’onda gravitazionale con la materia 19

I - 1.4 La generazione di onde gravitazionali 23

I - 1.5 Le sorgenti di onde gravitazionali osservabili sulla Terra 26

I - 1.5(A) Sistemi binari 27

I - 1.5(B) Supernovae 28

I - 1.5(C) Pulsar 28

I - 1.1(D) Fondo stocastico 29

I - 2 Rivelatori di onde gravitazionali 30

I - 2.1 Rivelatori a barre risonanti 30

I - 1.2 L’interferometro di Michelson 31

I - 1.3 La rivelazione interferometrica di onde gravitazionali 35

I - 1.4 Analisi dei dati e sensibilità di un rivelatore 37

I - 3 Il Progetto Virgo 41

I - 3.1 Lo schema ottico dell’antenna interferometrica 41

I - 3.2 Le sorgenti di rumore 44

I - 3.2(A) Il rumore sismico 44

I - 3.2(B) Il rumore newtoniano 45

I - 3.2(C) Il rumore termico 46

I - 3.2(D) Rumori connessi alla rivelazione ottica 48

I - 3.2(E) Rumori di fase 49

I - 3.3 La sensibilità di VIRGO 50

II - L’attenuazione del rumore sismico in virgo 53

II - 1 La sospensione delle ottiche 55

II - 1.1 Attenuatori meccanici delle vibrazioni 55

II - 1.1(A) Il sistema adottato in VIRGO: un pendolo multiplo 56

II - 1.2 Il filtro standard 59

II - 1.2(A) Lame triangolari 60

II - 1.2(B) Antimolle magnetiche 63

II - 1.3 Lo stadio finale 65

II - 1.4 Lo stadio di pre-attenuazione 67

II - 1.4(A) Il pendolo invertito 68

II - 1.4(B) Il filtro 0 72

II - 1.4(C) Il controllo degli spostamenti in bassa frequenza 73

II - 1.5 Il superattenuatore 75

II - 1.6 La procedura di allineamento dell’apparato 78

II - 2 La dinamica del superattenuatore 81

II - 2.1 Rappresentazione schematica del sistema 81

II - 2.1(A) Elementi massivi e gradi di libertà 83

II - 2.1(B) Elementi elastici e reazioni vincolari 84

II - 2.2 Gradi di libertà accoppiati ed equazioni del moto 84

II - 2.2(A) Le oscillazioni verticali 86

II - 2.2(B) Le oscillazioni orizzontali 88

II - 2.2(C) Le oscillazioni torsionali 89

II - 2.3 Fattori di qualità 89

II - 2.4 Le risonanze interne 91

II - 2.5 Studio sperimentale delle risonanze della catena 93

II - 2.5(A) Risonanze collettive in bassa frequenza 93

II - 2.5(B) Risonanze in alta frequenza 98

II - 2.6 Caratterizzazione dei modi normali tramite modello di calcolo 99

II - 2.6(A) Espressione delle costanti elastiche in termini delle dimensioni dei vincoli 99

II - 2.6(B) Quantificazione dei parametri in ingresso e risultati della simulazione 105

II - 3 La funzione di trasferimento del superattenuatore 109

II - 3.1 Le matrici d’impedenza 110

II - 3.1(A) Sistemi collegati in serie 112

II - 3.1(B) Sistemi collegati in derivazione 112

II - 3.1(C) Sistemi collegati in parallelo 112

II - 3.1(D) Sistemi ad una dimensione 113

II - 3.1(E) Sistemi a due dimensioni 116

II - 3.2 La funzione di trasferimento verticale 122

II - 3.2(A) Misura della funzione di trasferimento verticale dei filtri standard 123

II - 3.2(B) Smorzamento delle risonanze in alta frequenza 127

II - 3.2(C) Misura della funzione di trasferimento verticale del filtro 0 132

II - 3.2(D) Misura della funzione di trasferimento verticale dello stadio finale 133

II - 3.2(E) Misura delle funzioni di trasferimento verticali in bassa frequenza 135

II - 3.2(F) La funzione di trasferimento verticale dell’intera catena 138

II - 3.3 La funzione di trasferimento orizzontale 139

II - 3.3(A) Misura della funzione di trasferimento orizzontale dei filtri standard 139

II - 3.3(B) L’effetto della crossbar sul trasferimento orizzontale 144

II - 3.3(C) Il pendolo invertito 146

II - 3.3(D) La trasmissione delle vibrazioni orizzontali e angolari lungo la catena 148

II - 3.3(E) Lo stadio finale 151

II - 3.3(F) L’attenuazione orizzontale complessiva 154

II - 3.3(G) Conclusioni: il rumore sismico residuo 157


Introduzione


Le onde gravitazionali, ipotizzate da Albert Einstein nella Teoria della Relatività Generale, non sono ancora state oggetto di osservazione diretta, nonostante la decennale attività di numerosi rivelatori a barre risonanti criogeniche. Da alcuni anni la ricerca sperimentale ha intrapreso una strada alternativa: sono ormai in fase avanzata di sviluppo numerosi progetti di rivelazione basati sulla misura interferometrica della fluttuazione della distanza, che un onda gravitazionale dovrebbe generare tra oggetti molto separati (nella fattispecie, gli specchi di un interferometro).

Uno di questi progetti, il Progetto VIRGO, è stato sviluppato dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, sezione di Pisa, in collaborazione col Centro Nazionale della Ricerca Scientifica francese. In particolare, è stato sviluppato nei laboratori dell’INFN un apparato, detto SUPERATTENUATORE.

Il superattenuatore ha lo scopo di sospendere le ottiche dell’interferometro in modo da renderle il più possibile isolate dalla consueta vibrazione sismica della crosta terrestre, la cui ampiezza è di molti ordini di grandezza superiore agli spostamenti che possono essere prodotti da un’onda gravitazionale. L’apparato si avvale di alcune soluzioni innovative, volte ad espandere alle basse frequenze la sua efficienza: grazie ad esso la banda di rivelazione attesa per VIRGO si dovrebbe spingere fino a 4 Hz, una frequenza molto bassa rispetto alle iniziali aspettative di altri rivelatori analoghi.

Il candidato ha preso parte alla fase finale del lavoro di ricerca sul superattenuatore, che ha condotto alla costruzione del primo prototipo completo (la cosiddetta 'Catena di R&D'), presso i laboratori di San Piero a Grado. Il lavoro si è articolato nelle seguenti fasi:

Studio della possibilità di eseguire misure di funzione di trasferimento di una catena di filtri, utilizzando misure intermedie di trasferimento tra stadi consecutivi.

Montaggio della Catena di R&D.

Esecuzione delle numerose operazioni di allineamento necessarie per garantire la funzionalità dell’apparato.

Caratterizzazione dei modi di risonanza della catena, come verifica di qualità del montaggio e dell’allineamento.

Perfezionamento degli apparati (dampers) preposti all’assorbimento delle risonanze in alta frequenza.

Misura delle funzioni di trasferimento verticali e orizzontali tra ciascuna coppia di stadi consecutivi della catena, come verifica di qualità della prestazione del superattenuatore.

Estrapolazione della funzione di trasferimento complessiva e del rumore sismico residuo atteso sugli specchi dell’interferometro.

Nella prima parte della tesi è trattata brevemente la fisica delle onde gravitazionali e la problematica della loro rivelazione, con particolare riguardo al rivelatore VIRGO.

La seconda parte ha come argomento specifico il superattenuatore, e con esso la strategia di attenuazione del rumore sismico adottata da VIRGO. Si espone il disegno essenziale dell’apparato e delle sue numerose componenti, descrivendone per ciascuna il principio di funzionamento e lo scopo del suo utilizzo. Sono brevemente trattate anche le componenti dedicate al controllo dell’elemento sensibile ¨C lo specchio ¨C in fase di rivelazione, le quali trovano alloggiamento nello stadio finale del superattenuatore.

Nella parte finale sono esposti i risultati del lavoro sperimentale di caratterizzazione delle risonanze della catena e delle sue proprietà di attenuazione delle vibrazioni, giungendo a produrre una stima della sua funzione di trasferimento che, pur non avendo il valore di una misura diretta, ha buone basi nell’osservazione sperimentale. A supporto dei dati mancanti o lacunosi si utilizza un modello teorico, valido in approssimazione lineare. Le simulazioni prodotte a partire da questo modello, adattate al sistema in esame sulla base dei dati oggettivi, mostrano un ottimo accordo con i risultati sperimentali, e forniscono una verifica di autoconsistenza dello studio nel suo complesso.


elenco: ~jo


Condividi con i tuoi amici:
  1   2


©astratto.info 2019
invia messaggio

    Pagina principale