Rivelatori di onde gravitazionali La back – action nelle antenne risonanti Antenne interferometriche (II parte) Rumori intrinseci delle test mass Rumori esterni Curva di sensibilità Interferometri spaziali Pulsar Timing

Antenna T, QTrasduttore AmplificatoreTATA  Acquisizione dati Contrario al rumore termico: esiste un tempo ottimale di integrazione che dipende dai livelli di rumore ma anche dai segnali da rivelare

MAIN FEATURES L’oscillatore meccanico Massa M Velocit à del suono v s Temperatura T Fattore di merito Q Frequenza di risonanza f r Il transduttore Efficienza  L’ amplificatore Temperatura di Rumore T n L0L0 LiLi Rumore termico S F = MkT  r /Q VnVn InIn A Rumore Electronico V n ; I n T n =√S Vn S In /k  energia e.m. del segnale)/(energia totale)

Il Trasduttore f(t)  x(t) v(t) i(t)     Un esempio: il caso del condensatore V(t)/x(t)  =coefficiente di trasduzione  = V o / d o = E o   VoVo dodo V(t) CdCd C(t) C~1 nF, E o ~10 6 V/m, M~10 3 kg,  o ~2  10 3 rad/s    

L’ottimizzazione del rivelatore (I) L’amplificatore non ha una banda infinita. Indichiamo con   la sua banda caratteristica Funzione d’autocorrelazione complessiva approssimata ( ottenuta antitrasformando le densità spettrali di rumore)

Analisi del segnale d’uscita : si vogliono evidenziare brusche variazioni dell’uscita L’algoritmo delle differenze L’ottimizzazione del rivelatore (II)

Quantum Limit T eff = 2  T n T n più basse possibili Condizioni di matching: alti  e Q, bassa T L’algoritmo delle differenze L’ottimizzazione del rivelatore (III)

Rumore Sismico Suspend the mirror Use multipendulums Make them low frequency Provide 6 d.o.f. isolation Attenuazione a  >  o N numero di oscillatori

Rumore Termico Teorema Fluttuazione-Dissipazione: specchi, fili di sospensione, pendolo Vedremo in dettaglio nella prossima lezione

Rumore indotto dalle fluttuazioni in frequenza del laser 1) Tecniche per rendere stabile la frequenza del laser 2) Si cerca di rendere il cammino ottico della luce il più uguale possibile (metri) PRECAUZIONI Abbiamo tutti gli ingredienti per comprendere le ragioni del disegno di un’antenna interferometrica

Aberrations depend on coating absorption (thermal lensing) and substrate inhomogeneity Scattered light from flatness/roughness MIRROR REQUIREMENTS: large mass/diameter, good flatness/roughness, low absorption, good homogeneity, good coating uniformity, high Q SUSPENSION REQUIREMENTS: high pendulum Q, monolithic FS suspensions

Ad Virgo in a nutshell heavier mirrors (42 kg) larger beam DC detection signal recycling new IP tilt control new payload fused silica suspensions high power laser (200 W) Larger central vacuum links Large cryotraps thermal compensation Performance demonstrated Large experience at low frequency

Virgo+ Early Configuration Late Configuration

Network di antenne Event reconstruction Source location in the sky Polarization components Amplitude and source distance (BNS) Probability increase Confidence increase Larger uptime Better sky coverage

LISA (missione spaziale): sensibile nella banda di frequenze ~ Hz

aVirgo

Laser Interferometer Space Antenna 3 bracci di 5 Milioni di km Formati da 3 satelliti in orbita eliocentrica (5->1 dopo il recente passaggio del progetto dalla NASA all’ESA (eLISA))

Interazione tra massa di test e satellite Limitazione dovuta al tempo di permanenza della luce

Metodi di rivelazione From pg 7

Le millisecond pulsar come “rivelatori” di Onde Gravitazionali Timing “relativo” di un campione di millisecond pulsar Timing “relativo” di un campione di millisecond pulsar “Bracci” di un gigantesco rivelatore di onde gravitazionali. “Bracci” di un gigantesco rivelatore di onde gravitazionali. Timing “relativo” di un campione di millisecond pulsar Timing “relativo” di un campione di millisecond pulsar “Bracci” di un gigantesco rivelatore di onde gravitazionali. “Bracci” di un gigantesco rivelatore di onde gravitazionali. Pulsar Timing Array

L’Arte del Pulsar Timing Elevata precisione Elevata precisione Test di GR unici Test di GR unici Elevata precisione Elevata precisione Test di GR unici Test di GR unici …dopo il fit del modello:

Materiale Didattico Testi utili P.R.Saulson: Fundamentals of Interferometric Gravitational Wave Detection (Cap.5,6,7). D.G.Blair: The detection of gravitational waves (1992) G Pizzella: Fisica sperimentale del campo gravitazionale, La Nuova Italia scientifica (1993)

1) Bilancia di Torsione (Dicke-Brajinsy) 2) Test della legge Quadratica Inversa: Rassegne su una o più tecniche 3) Esperimenti di Quinta Forza 4) Misure della costante della Gravitazione Universale 5) Le verifiche della LLI (e, più in generale, della Relatività Speciale) ( 6) Le verifiche della LPI 7) I 3 test standard della Relatività Generale: problematiche sperimentali e limiti sui PPN 8) Approfondire il quadro Generale sui limiti per i vari parametri post-Newtoniani 9) L’Esperimento di Pound-Rebka: tecnica e significati 10) Rassegna sui segnali gravitazionali attesi in relazione alle sensibilità degli apparati 11) Tesina sulla descrizione dell’effetto nei vari sistemi di riferimento 12) La misura sulla Pulsar ) Rassegna sulle sorgenti di OG e sulle possibilità di rivelazione 14) I rivelatori a barra 15) I Rivelatori interferometrici di OG (anche un problema specifico) 16) L’esperimento LISA