SAGNAC GYROSCOPES AND GINGERINO Angela D. V. Di Virgilio, INFN - - PowerPoint PPT Presentation

sagnac gyroscopes and gingerino
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SAGNAC GYROSCOPES AND GINGERINO Angela D. V. Di Virgilio, INFN - - PowerPoint PPT Presentation

SAGNAC GYROSCOPES AND GINGERINO Angela D. V. Di Virgilio, INFN sez. Di Pisa, Italy SAGNAC Gyroscopes (Ring laser) and the experimental problem of the


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SAGNAC GYROSCOPES AND GINGERINO

Angela ¡D. ¡V. ¡Di ¡Virgilio, ¡INFN ¡sez. ¡Di ¡Pisa, ¡Italy ¡

  • SAGNAC ¡ Gyroscopes ¡ (Ring ¡ laser) ¡ and ¡ the ¡ experimental ¡

problem ¡ of ¡ the ¡ Lense-­‑Thirring ¡ measurement ¡ on ¡ Earth(GINGER) ¡

  • Most ¡recent ¡progress ¡
  • GINGER: ¡LNGS ¡/ ¡Sar-­‑Grav ¡

TAUP ¡2019 ¡ Angela ¡Di ¡Virgilio, ¡TOYAMA, ¡September ¡9 ¡ 2019 ¡

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THE ¡SAGNAC ¡EFFECT ¡

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SAGNAC ¡GYROS ¡ACTIVE/PASSIVE ¡

ACTIVE…THE ¡LASER ¡DOES ¡THE ¡WORK ¡FOR ¡YOU…. ¡

TAUP ¡2019 ¡

When ¡the ¡ring ¡is ¡rota@ng, ¡the ¡difference ¡in ¡op@cal ¡path ¡ in ¡the ¡two ¡direc@on ¡is ¡translated ¡in ¡a ¡frequency ¡ difference: ¡ ¡

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HOW ¡THIS ¡KIND ¡OF ¡DEVICES ¡SHOULD ¡BE ¡CALLED? ¡ I ¡call ¡them ¡Sagnac ¡gyros ¡ ¡ ü ¡Gyros ¡since ¡they ¡are ¡‘inerOal’ ¡ ü Sagnac ¡since ¡they ¡are ¡based ¡on ¡the ¡Sagnac ¡effect ¡ Sagnac ¡gyros ¡can ¡be ¡based ¡on ¡photons, ¡atoms ¡and ¡Helium ¡ superfluid ¡and ¡Josephson ¡juncOon ¡(this ¡one ¡has ¡been ¡abandoned) ¡ Please ¡see ¡100 ¡years ¡of ¡the ¡the ¡Sagnac ¡effect, ¡Compte ¡rendu ¡

  • 2014. ¡

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¡ SAGNAC ¡GYROS ¡ ¡

THEY ¡ARE ¡PROJECTORS ¡AND ¡MEASURE ¡ANGULAR ¡ROTATION ¡RATES ¡ ¡

¡

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Ac:ve ¡ring ¡ cavity ¡ ¡ Passive ¡ring ¡ cavity ¡ Fiber ¡FOG ¡ Atom ¡ Bandwidth ¡ High ¡ High ¡ High ¡ <20Hz ¡ ASD ¡ ¡nrad/s ¡1 ¡s ¡

  • meas. ¡
  • Typ. ¡<1 ¡

Rec ¡~7.10-­‑3 ¡ Approaching ¡1 ¡ Commercial ¡10 ¡ ~250 ¡

  • Minim. ¡Allan ¡

nrad/s ¡ ~ ¡10-­‑4 ¡1 ¡day ¡ GINGERINO ¡ ¡best ¡ ~5.10-­‑3 ¡10 ¡days ¡ 10 ¡ ¡ 0.3 ¡ ¡(104 ¡s) ¡SIRTE ¡ 2019 ¡ perimeter ¡ >4-­‑16m ¡ ¡ (also ¡~100 ¡m) ¡ ~1 ¡m ¡ >3-­‑4km ¡ ~1-­‑10cm, ¡11 ¡cm2 ¡

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INERTIAL ¡ANGULAR ¡ROTATION ¡MEASUREMENT ¡

Seismics ¡ ¡ General ¡ ¡ 10-­‑4 ¡ 10-­‑6 ¡ 10-­‑8 ¡ 10-­‑10 ¡ 10-­‑12 ¡

G-­‑Pisa ¡5.4m2 ¡ GP2 ¡6.4m2 ¡ ¡ G ¡ ¡(WeOzell) ¡16m2 ¡

rad/s ¡ Earth Tides Fluctuations of Earth rotation Relativity 10-­‑14 ¡ Earth Rotation Rate

Aircraft Navigation Submarine Navigation

OFG ¡ Small ¡ring ¡laser ¡

GINGERINO ¡14.4m2 ¡ Impossible ¡to ¡dis:nguish ¡among ¡geophysics ¡and ¡fundamental ¡physics ¡signals ¡

Atom ¡gyros ¡

Tectonic ¡plaque ¡ ROMY ¡62.3m2 ¡

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Passive ¡gyro ¡

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INFN/FUNDAMENTAL ¡PHYSICS ¡

¡GINGER: ¡Gyroscopes ¡IN ¡GEneral ¡RelaOvity ¡ Lense ¡Thirring ¡effect, ¡on ¡Earth, ¡1% ¡precision ¡ ¡ ‘measurement ¡depending ¡on ¡laOtude’ ¡ Not ¡averaged ¡ GravitaOonal ¡map ¡not ¡required ¡ ¡ ConfrontaOon ¡space/earth ¡based ¡apparatus? ¡ ¡

¡ INFN ¡Sec;ons: ¡Pisa, ¡LNGS, ¡Legnaro, ¡Napoli ¡Department ¡of ¡Physics ¡of ¡Pisa ¡ (condensed ¡maNer ¡and ¡applied ¡physics) ¡

¡

¡

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LORENZ ¡VIOLATION ¡AND ¡SAGNAC ¡GYROSCOPES ¡

  • J. ¡TASSON ¡ET ¡AL. ¡ARXIV:1907.05933 ¡

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2017 ¡PAPERS ¡DEFINES ¡THE ¡REQUIREMENTS ¡FOR ¡GINGER ¡

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Highlighted ¡by ¡springer ¡and ¡eurekalert ¡ Highlighted ¡as ¡‘Change ¡the ¡World’ ¡

The ¡most ¡pres;gious ¡Repubblica ¡e ¡Nature ¡

¡ For ¡example: ¡ ¡ General ¡rela:vity ¡Going ¡underground ¡ Luke ¡Fleet ¡Nature ¡Physics ¡volume ¡13, ¡page ¡321 ¡(2017) ¡ ¡ Europhysics ¡news ¡

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WHAT ¡GINGER ¡DELIVERS ¡

  • VariaOon ¡ (fast) ¡ of ¡ the ¡ earth ¡ rotaOon ¡ rate ¡ with ¡

relaOve ¡precision ¡~ ¡10-­‑9-­‑10-­‑12 ¡

  • VariaOon ¡of ¡the ¡rotaOon ¡axis ¡(local) ¡
  • Lense ¡Thirring ¡1% ¡comparing ¡with ¡IERS ¡data ¡
  • Amplitude ¡ at ¡ the ¡ sidereal ¡ day ¡ modulaOon ¡ (Lorenz ¡

Invariance) ¡ ¡ Highly ¡MulO-­‑disciplinar ¡

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SO ¡FAR ¡.. ¡

  • Scale ¡Factor ¡control: ¡square ¡device, ¡built ¡close ¡to ¡regular ¡square ¡

(microns ¡level) ¡and ¡control ¡the ¡diagonals ¡of ¡the ¡square ¡

  • Developed ¡all ¡necessary ¡tools ¡to ¡measure ¡the ¡square ¡geometry ¡

with ¡enough ¡accuracy ¡(µm) ¡

  • We ¡are ¡developing ¡and ¡tes@ng ¡a ¡new ¡mechanical ¡scheme ¡to ¡reduce ¡

coupling ¡between ¡different ¡mirrors, ¡in ¡order ¡to ¡avoid ¡rota@ons ¡ induced ¡by ¡external ¡forces ¡

  • New ¡analysis ¡to ¡take ¡into ¡account ¡laser ¡dynamics ¡

We ¡are ¡ready ¡for ¡GINGER ¡ This ¡apparaus ¡can ¡be ¡‘ac:ve’ ¡or ¡‘passive’ ¡

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…but ¡let ¡us ¡go ¡back ¡to ¡sensi@vity… ¡

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Shot ¡noise ¡limit ¡(square ¡RLG) ¡

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ω =

  • ν

ω =

  • π

ν

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10 10

1

10

−17

10

−16

10

−15

10

−14

10

−13

10

−12

Cavity Total Losses 6 ppm ( mirrors with present status of art), intracavity power 20mW Side Length [m] Angular Velocity [rad/s]

10−9 Earth rot. rate 10−12 Earth rot. rate 1 hour integration time 1 day integration time 1 week integration time 100 days integration time 6 years integration time

SENSITIVITY ¡& ¡STABILITY ¡

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¡PROTOTYPES ¡ARE ¡VERY ¡USEFUL ¡TO ¡IMPROVE ¡THE ¡DESIGN ¡

AND ¡THE ¡COMPREHENSION ¡OF ¡THE ¡INSTRUMENT ¡

¡

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take ¡data ¡and ¡ compare ¡with ¡ model ¡of ¡the ¡ mechanics ¡ take ¡data ¡and ¡ compare ¡with ¡ model ¡of ¡the ¡ ring ¡laser ¡ dynamics ¡ looks ¡for ¡ known ¡signals, ¡ polar ¡mo@on ¡ and ¡Chandler ¡ Wobbler ¡ evaluate ¡ residuals ¡ improve ¡the ¡ mechanics ¡ improve ¡the ¡ data ¡analysis ¡

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GINGERINO ¡is ¡heterolithic ¡

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GINGERINO ¡

  • GINGERINO is based on a rather simple

mechanical set up, but, taking advantage of the low noise and high thermal stability of the cave, has been able to provide extremely interesting and high sensitivity measurements

  • It runs unattended with duty cycle > 95% and

sensitivity below nrad/s in 1 second

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SEISMOLOGY

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GINGERINO is the only high sensitivity RLG operative in a seismically active area

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GINGERINO IS THE ONLY RLG LOCATED IN A SEISMICALLY ACTIVE AREA

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5 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡10 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡15 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡20 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡25 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡x ¡103 ¡s ¡ 9 ¡ 8 ¡ 7 ¡ 6 ¡ 5 ¡ 4 ¡ 3 ¡ 2 ¡ 1 ¡ 0 ¡ Visso M 5.9 earthquake (26-10-2016 17:10:38 UTC) x ¡10-­‑5 ¡rad/s ¡ First ¡near ¡field ¡strong ¡earthquake ¡

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Mexico, Sept 19, 2017 A single station with seismometer and RLG is able to recover amplitude and direction of the wave, 4D STATION

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LNGS ¡ ¡ 4D ¡observatory ¡ FIRST OBSERVATION OF THE LOVE COMPONENT OF THE MICROSEISM IN OUR REGION

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GINGERINO RUNS UNATTENDED WITH HIGH DUTY CYCLE AND SENSITIVITY

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NEW ANALYSIS SCHEME

new analysis scheme to analyze the data taking into account the laser dynamic

Di ¡Virgilio, ¡A.D.V., ¡Beverini, ¡N., ¡Carelli, ¡G. ¡et ¡al. ¡Eur. ¡Phys. ¡J. ¡C ¡(2019) ¡79: ¡573. ¡ ¡ hNps://doi.org/10.1140/epjc/s10052-­‑019-­‑7089-­‑5 ¡

¡

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hip://arxiv.org/abs/1906.11338 ¡

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Data ¡taken ¡16 ¡June ¡15 ¡July, ¡ during ¡the ¡heavy ¡work ¡ for ¡the ¡installa:on ¡of ¡LUNA ¡

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FUTURE PLAN

GINGER is at present under discussion, possible locations are SAR-GRAV and LNGS

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The ¡ orienta:on ¡ of ¡ the ¡ third ¡ ring ¡ (outside ¡ the ¡ meridian ¡ plane) ¡ depends ¡on ¡the ¡available ¡space ¡ One ¡ RLG ¡ at ¡ the ¡ maximum ¡ Sagnac ¡ signal ¡and ¡one ¡horizontal ¡have ¡area ¡ versor ¡inside ¡the ¡meridian ¡plane ¡

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LNGS ¡

  • We ¡have ¡checked ¡that ¡an ¡array ¡of ¡3 ¡RLG ¡with ¡side ¡length ¡5-­‑6m ¡could ¡be ¡

installed ¡inside ¡Node ¡B ¡

  • In ¡principle ¡even ¡larger ¡array ¡could ¡be ¡installed ¡inside ¡one ¡of ¡the ¡

experimental ¡hall ¡

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SOS ¡ENATTOS ¡

¡

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WORK ¡IN ¡PROGRESS ¡TO ¡SE ¡WHETHER ¡ ¡ ARRAY ¡OF ¡5/7m ¡SIDE ¡ARE ¡FEASIBLE ¡

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CONCLUSIONS ¡

  • GINGER ¡ is ¡ designed ¡ to ¡ provide ¡ Lense ¡ Thirring ¡ test ¡ independently ¡ on ¡ the ¡

gravitaOonal ¡map, ¡and ¡in ¡funcOon ¡of ¡the ¡laOtude ¡(DC ¡quanOty ¡accuracy ¡required!) ¡

  • Jay ¡Tasson ¡is ¡invesOgaOng ¡the ¡feasibility ¡of ¡the ¡Lorenz ¡violaOon ¡test ¡(modulated ¡

signal). ¡RLG ¡ ¡could ¡also ¡be ¡used ¡to ¡improve ¡the ¡performances ¡of ¡the ¡GW ¡antennas ¡ at ¡low ¡frequency ¡

  • GINGERINO ¡is ¡the ¡only ¡high ¡sensiOvity ¡RLG ¡operaOve ¡in ¡a ¡seismically ¡acOve ¡area, ¡it ¡

has ¡shown ¡the ¡advantage ¡of ¡the ¡underground ¡locaOon, ¡which ¡is ¡thermally ¡rather ¡

  • stable. ¡ ¡
  • Stability ¡is ¡an ¡issue ¡to ¡invesOgate ¡the ¡very ¡low ¡frequency ¡signals ¡(of ¡any ¡nature: ¡

fundamental ¡physics, ¡geodeOc ¡or ¡geiophysics) ¡ ¡ LNGS: ¡NODE ¡B: ¡5-­‑6m ¡array, ¡experimental ¡halls ¡are ¡in ¡principle ¡suitable, ¡probably ¡ larger ¡array ¡feasible ¡ SOS ¡ENATTOS ¡: ¡if ¡half ¡of ¡the ¡space ¡available ¡side ¡<~7 ¡m ¡feasible ¡

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COROLLARIO ¡

  • In ¡principle ¡at ¡least ¡two ¡separate ¡arrays ¡of ¡RLGs ¡are ¡necessary ¡to ¡test ¡the ¡

theory ¡ ¡

  • One ¡array ¡only ¡could ¡do ¡it ¡if ¡the ¡orientaOon ¡of ¡the ¡horizontal ¡RLG ¡can ¡be ¡

compared ¡with ¡some ¡absolute ¡reference. ¡This ¡is ¡in ¡principle ¡feasible ¡since ¡ the ¡two ¡light ¡beams ¡are ¡exiOng ¡the ¡RL ¡cavity. ¡This ¡is ¡clearly ¡expressed ¡in ¡

  • ur ¡papers. ¡At ¡present ¡only ¡the ¡angular ¡rotaOon ¡is ¡evaluated ¡from ¡the ¡RL ¡
  • data. ¡

Angular ¡rotaOon ¡and ¡area ¡versor ¡should ¡be ¡measured, ¡i.e. ¡reconstruct ¡the ¡ parallel ¡and ¡perpendicular ¡component ¡of ¡the ¡perturbaOon ¡

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2 ¡RLS ¡AT ¡MAXIMUM ¡SIGNAL ¡AT ¡DIFFERENT ¡LATITUDE ¡ θ1 and θ2 ¡

  • A. ¡Tartaglia, ¡A. ¡Di ¡Virgilio ¡et ¡al. ¡Eur. ¡Phys. ¡J. ¡Plus ¡(2017) ¡132: ¡73 ¡
  • A. ¡Di ¡Virgilio, ¡TOYAMA, ¡September ¡9 ¡2019 ¡
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WE ¡HAVE ¡STUDIED ¡IN ¡DETAILS ¡THE ¡SYSTEM ¡WITH ¡2 ¡CO-­‑ LOCATED ¡RL ¡FOR ¡THE ¡LENSE-­‑THIRRING ¡1% ¡TEST ¡

  • GINGER: ¡a ¡feasibility ¡study, ¡ ¡Di ¡Virgilio, ¡A., ¡Belfi, ¡J. ¡et ¡al ¡Eur. ¡Phys. ¡J. ¡Plus ¡

(2017) ¡132: ¡157 ¡

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TO ¡DEFINE ¡THE ¡EXPERIMENTAL ¡REQUIREMENTS ¡

  • A. ¡Di ¡Virgilio, ¡TOYAMA, ¡September ¡9 ¡2019 ¡
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THE ¡SIMPLEST ¡APPARATUS ¡

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2 ¡RL ¡with ¡area ¡versors ¡n1 ¡and ¡n2 ¡inside ¡the ¡meridian ¡plane ¡ It ¡is ¡necessary: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡iden;fy ¡and ¡subtract ¡any ¡extra ¡term ¡(;des ¡etc.) ¡ ¡

and ¡ Redundancy ¡is ¡important ¡

  • A. ¡Di ¡Virgilio, ¡TOYAMA, ¡September ¡9 ¡2019 ¡
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ESSENTIAL ¡POINT ¡OF ¡THE ¡PROBLEM ¡

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the ¡angle ¡ζ ¡can ¡be ¡determined ¡by ¡ the ¡two ¡Sagnac ¡frequencies ¡ ¡

  • A. ¡Di ¡Virgilio, ¡TOYAMA, ¡September ¡9 ¡2019 ¡