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Negativo-Stiffness Vibration Isolation Aids Princeton's South Pole Lab di Princeton

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Il Gruppo Romalis dell'Università di Princeton ha allestito un laboratorio sul campo al Polo Sud con un co-magnetometro a rotazione atomica ultraprecisa dotato di isolamento dalle vibrazioni negative e rigidità per isolare le vibrazioni dai componenti più sensibili.

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L'invarianza o simmetria di Lorentz, un insieme di quadri fondamentali che sono alla base della scienza moderna e della fisica in particolare, è alla base della teoria dei campi quantistici (QFT) e della teoria della relatività generale di Einstein, le due teorie di maggior successo in fisica, che insieme descrivono le quattro forze fondamentali della natura. In fisica, in particolare l'elettromagnetismo, la forza di Lorentz è la combinazione della forza elettrica e magnetica su una carica puntiforme dovuta a campi elettromagnetici. Mentre le moderne equazioni maxwelliane dimostrano come particelle e correnti elettricamente cariche, o particelle in movimento cariche, danno origine a campi elettrici e magnetici, la legge di Lorentz completa il quadro descrivendo la forza che agisce su una carica di un punto in movimento in presenza di campi elettromagnetici.

L'incapacità di incorporare la gravità, tuttavia, come descritto dalla relatività generale nel modello standard QFT della fisica delle particelle - che combina con grande successo le interazioni elettromagnetiche, forti e deboli - ha portato allo sviluppo di teorie alternative della gravità quantistica. Poiché molte di queste teorie rompono la simmetria di Lorentz ad un piccolo livello, ricerche sperimentali di effetti violatori di Lorentz potrebbero aiutare a far luce sulla nuova fisica oltre il modello standard, e fornire indizi sulla natura della gravità quantistica. Le violazioni di Lorentz riguardano le previsioni fondamentali della relatività speciale, come il principio di relatività, la costanza della velocità della luce in tutti i quadri di riferimento inerziali e la dilatazione temporale, nonché le previsioni del modello standard della fisica delle particelle.

IL TEST DI SIMMETRIA ULTRAPRECISO DI PRINCETON LORENTZ

Alcuni dei test più precisi relativi alla simmetria di Lorentz sono stati eseguiti dal Gruppo Romalis presso l'Università di Princeton.

"La simmetria di Lorentz è alla base di tutte le forze conosciute della natura, fornendo uno dei pochi collegamenti tra la gravità e la meccanica quantistica", ha detto Michael Romalis, Ph.D., professore di fisica, e capo del Gruppo Romalis all'Università di Princeton. "Postula che le leggi della fisica sono invarianti sotto rotazione, e rimangono le stesse in un quadro di riferimento mobile. La simmetria di Lorentz è anche strettamente connessa alla simmetria inversa di Charge-Parity-Time (CPT) che impone l'equivalenza di particelle e anti-particelle."

"Usiamo tecniche di altissima precisione con spin atomico polarizzato per testare la simmetria di Lorentz", ha aggiunto Romalis. "La presenza della violazione di Lorentz sembrerebbe un campo efficace percepito dagli atomi. Presumibilmente, questo campo agisce come uno sfondo cosmicamente fisso che, dal punto di vista del nostro esperimento legato alla Terra, fluttua con un periodo siderale mentre la Terra ruota in esso"

Un co-magnetometro a gas alcalini nobili metallici, racchiuso in una camera a vuoto, viene utilizzato nell'esperimento del gruppo per misurare in modo molto sensibile i campi che si accoppiano a spin atomico, sopprimendo al contempo le interazioni dei campi magnetici. Un co-magnetometro a rotazione atomica è costituito da due specie di rotazione che occupano lo stesso volume e misurano lo stesso campo magnetico. Tali misure ridondanti possono consentire di annullare le fluttuazioni del campo magnetico e concentrarsi su interazioni più interessanti che vanno oltre il Modello Standard della fisica delle particelle.

ANNULLANDO GLI EFFETTI DELLA ROTAZIONE TERRESTRE AL POLO SUD

Limiti molto severi di rotazione e di incremento della violazione di Lorentz sono già stati determinati utilizzando misure condotte a Princeton. Tuttavia, un effetto sistematico significativo che limitava ulteriori miglioramenti è stato il rilevamento giroscopico della rotazione terrestre, che ha creato una direzione preferenziale nel suo laboratorio del New Jersey. Il segnale effettivo misurato dagli atomi era più di 10.000 volte più grande del limite di violazione di Lorentz misurato.

Per superare questo effetto sistematico, nel gennaio 2013 il Gruppo Romalis ha spostato il proprio apparato presso lo stabilimento Cryo della stazione di Amundsen-Scott South Pole Station. In questo caso, gli effetti della rotazione terrestre sono quasi completamente eliminati, migliorando la precisione del test di due ordini di grandezza.

"Gli atomi polarizzati nel co-magnetometro sono estremamente sensibili alle rotazioni", ha continuato Romalis. "A Princeton, captiamo un grande segnale di fondo dovuto alla rotazione della Terra. Al Polo Sud, possiamo quasi completamente eliminare quel segnale. Il Polo Sud fornisce la posizione più simmetrica sulla Terra per cercare gli effetti dell'anisotropia cosmica. A Princeton, il segnale della Terra è 2.6 PT-10.000 volte più grande del limite di Lorentz-violante attuale. Situato a 230 metri dal Polo Sud geografico, il segnale della Terra è inferiore a 0.1 PT, 26.000 volte più piccolo del segnale di Princeton"

(PT: momento trasverso - Momento - la quantità di moto di un oggetto trasverso all'asse del fascio.)

NECESSITÀ DI ISOLAMENTO DALLE VIBRAZIONI

Il co-magnetometro a rotazione atomica del Gruppo Romalis, in uso sia presso la Princeton University nel New Jersey che presso il suo laboratorio South Pole, è tra i dispositivi più sensibili per testare la simmetria di Lorentz. Di conseguenza, l'isolamento di precisione delle vibrazioni è necessario per isolare le vibrazioni dai suoi componenti sensibili, non solo per il co-magnetometro, ma anche per i laser e gli allineamenti ottici associati al sistema.

Vibrazioni nella gamma di pochi hertz (Hz) a pochi 10s di Hz influenzano la prova. Queste influenze interne ed esterne causano principalmente vibrazioni a bassa frequenza che vengono trasmesse attraverso la struttura, creando forti disturbi nelle apparecchiature sensibili.

Le vibrazioni all'interno di questo intervallo possono essere causate da una moltitudine di fattori. Ogni struttura trasmette rumore. All'interno dell'edificio stesso, il sistema di riscaldamento e ventilazione, i ventilatori, le pompe e gli ascensori sono solo alcuni dei dispositivi meccanici che creano vibrazioni. A seconda della distanza dell'apparecchiatura da queste fonti di vibrazione e del luogo in cui si trova l'apparecchiatura, sia al terzo piano che nel seminterrato, ad esempio, determinerà il grado di influenza della strumentazione.

All'esterno dell'edificio, la prova può essere influenzata dalle vibrazioni del movimento del veicolo, dalla costruzione vicina, dal rumore degli aerei, e anche il vento e altre condizioni atmosferiche possono causare il movimento della struttura.

ISOLAMENTO ANTIVIBRANTE A TENUTA NEGATIVA COMPATIBILE CON IL VUOTO

Il Gruppo Romalis ha scelto un isolatore di vibrazioni a rigidità negativa, personalizzato per essere solo leggermente magnetico, per il test di simmetria di Lorentz, sia all'Università di Princeton che al Polo Sud.

"Un fattore chiave è stata la sua capacità di isolare le vibrazioni all'interno di una camera a vuoto, che ospita il co-magnetometro", ha spiegato Romalis. "Le piattaforme aeree non possono isolare le vibrazioni all'interno di un vuoto."

A parte il requisito del vuoto, i sistemi ad aria sono di solito una configurazione non ottimale per annullare le vibrazioni a bassa Hz. Raggiungono un certo isolamento, solitamente in un'unica dimensione (verticalmente), e forniscono un isolamento orizzontale limitato. Ma non isolano nella misura necessaria a frequenze di risonanza molto basse, le perturbazioni a basso ciclo arrivano spesso direttamente all'apparecchiatura.

Sviluppati e brevettati da Minus K Technology, gli isolatori a rigidità negativa forniscono una capacità unica, impiegando un concetto completamente meccanico nell'isolamento delle vibrazioni a bassa frequenza, senza necessità di aria o elettricità.

Ciò che è molto vantaggioso per gli isolatori a rigidità negativa è che raggiungono un alto livello di isolamento in più direzioni. Gli isolatori a rigidità negativa hanno la flessibilità di personalizzare le frequenze di risonanza a 0.5 Hz* verticalmente e orizzontalmente (con alcune versioni a 1.5 Hz orizzontalmente).

(*Nota: per un sistema di isolamento con frequenza naturale di 0,5 Hz, l'isolamento inizia a 0,7 Hz e migliora con l'aumento della frequenza di vibrazione. La frequenza naturale è più comunemente usata per descrivere le prestazioni del sistema.)

L'isolamento del movimento verticale è fornito da una molla rigida che supporta un carico di peso, combinata con un meccanismo di rigidità negativa. La rigidità verticale netta è resa molto bassa senza compromettere la capacità di carico statico-supporto della molla. Le colonne del fascio collegate in serie con l'isolatore a movimento verticale forniscono un isolamento a movimento orizzontale. Una trave-colonna si comporta come una molla combinata con un meccanismo di rigidità negativa.

TRASMISSIBILITÀ DELLE VIBRAZIONI

La trasmissibilità delle vibrazioni è una misura delle vibrazioni che vengono trasmesse attraverso l'isolatore rispetto alle vibrazioni in ingresso. Gli isolatori a rigidità negativa, se regolati a 0,5 Hz, raggiungono circa il 93% di efficienza di isolamento a 2 Hz, il 99% a 5 Hz e il 99,7% a 10 Hz. Gli isolatori a rigidità negativa offrono prestazioni molto elevate, misurate da una curva di trasmissibilità.

Gli isolatori di rigidità negativa risuonano a 0.5 Hz. A questa frequenza non c'è quasi nessuna energia presente. Sarebbe molto insolito trovare una vibrazione significativa a 0,5 Hz. Le vibrazioni con frequenze superiori a 0,7 Hz (dove gli isolatori di rigidità negativa iniziano ad isolare) vengono rapidamente attenuate con aumenti di frequenza.

FLESSIBILITÀ DEL POLO SUD

Gli isolatori a rigidità negativa non richiedono elettricità o aria compressa. Non ci sono motori, pompe o camere, e nessuna manutenzione perché non c'è nulla da consumare. Funzionano in modo puramente meccanico passivo.

Se le apparecchiature possono essere isolate dalle vibrazioni senza dover trattare con l'aria compressa o l'elettricità, allora si ottiene un sistema più semplice da trasportare e più facile da configurare e mantenere. È stato il caso dei test di simmetria di Lorentz del Gruppo Romalis alla stazione di Amundsen-Scott, Polo Sud.

"L'isolatore a rigidità negativa ha fornito la flessibilità per essere facilmente trasportato con il nostro co-magnetometro di gas nobili metallici alcalini dal nostro laboratorio di Princeton nel New Jersey al Polo Sud", ha aggiunto Romalis. "Non abbiamo dovuto fare regolazioni per l'energia elettrica e le pompe per supportare l'isolamento dalle vibrazioni."

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