Gravitcishullmdetektorok Ksrleti mag s rszecskefizikai szeminrium Barta Dniel

Gravitációshullám-detektorok Kísérleti mag- és részecskefizikai szeminárium Barta Dániel 2012. október 3.

Mi is az a gravitációshullám? • • • Időben változó tömegeloszlások hullámok Kis zavarok a téridőben, melyek relatív megnyúlást okoznak Fénysebességgel terjednek Létezésük az elmélet szükségszerű következménye Közvetlenül még nem sikerült gravitációs hullámot detektálni Új, az EM-től független információhordozó közeg Elméleti jóslat 1916 -ban (A. Einstein)

Gyengetér-megoldás: A gravitációshullámok elmélete Az Einstein-egyenlet: metrikus-tenzor energia-impulzus tenzor Ricci-tenzor Ricci-skalár Gyenge gravitációs tér esetén:

Gyengetér-megoldás: A gravitációshullámok elmélete 1) Linearizálás: 2) Hilbert-Lorenz-mérték: Hullámegyenlet Polarizációk: A hullám „+” és a „×” irányú polarizáció torzító hatása

A gravitációs sugárzás közvetett bizonyítékai Hulse Taylor PSR 1913+16 jelzésű kettős rádiópulzár Periodikus moduláció Kettős neutroncsillag GH kibocsájtás Pálya zsugorodása Tökéletes egyezés a ált. rel. jóslattal! Fizikai Nobel-díj, 1993

Gravitációshullám-csillagászat A gravitációshullámok egyedi információt közvetítenek feketelyukakról, neutroncsillagokról, szupernóvákról, az univerzum korai fejlődéséről, és a gravitációról magáról… Habár, rendkívül gyengék vagy ritkák… Tipikus megnyú lás a Fö 0, 00000 ldön: h 000000 ~ 10 − 21 000000 0001 ~ a hidro génatom átmérőjé vel!

Gravitációshullámok megfigyelésének céljai • Az általános relativitáselmélet vizsgálata: - Hullámterjedés sebessége (késés a „burst”ök beérkezési idejéhez képest) - A sugárzási tér jellemzése (GH források sugárzásának polarizációja) - Az általános relatívitáselmélet részletes vizsgálata („chirp”-hullámformák) - Fekete lyukak és erős gravitációs-mezők (BH összeolvadás és lecsengés) • Gravitációshullám-csillagászat (megfigyelés, populáció, tulajdonságok): - Kompaktkettős bespirálozása - GH-k és gamma-sugár kitörések kapcsolatai - Fekete lyuk képződés - Az újonnan képződött neutroncsillag (lecsengése az első évben) - Pulzárok és a gyorsan forgó neutroncsillagok - Sztochasztikus háttér + Ismeretlen fizikai jelenségek, folyamatok!

Gravitációshullám-detektorok Joseph Weber és GH -antenája, 1966. Rezonátor-tömeg detektorok Interferometrikus detektorok A GH árapalyerő hatását méri félmerev testeken. A fluktuációkat mér két szabad test közötti fényútban. -Történelmileg az első próbálkozások GH-k detektálására egyetlen nagy teszt tömegen kifejtett árapályerő mérését célozta meg. -Viszonylag keskeny a rezonanciafrekvencia, kb. 10 Hz körül érzékeny a detektor. -Újabb generáció: modern technikai megoldások tették lehetővé, nagyfokú az izoláció. -Szélesebb tartományban, 10 Hz-10 k. Hz között érzékeny.

Michelson-féle lézer interferométer bemeneti teszttömeg ~ 15 k. W teszttömeg ~6 W hátsó teszttömeg nyalábosztó erősítő tükör lézer dark port fotodióda • A kb. 2 -4 km Fabry-Perot karokról visszaérkező fény fáziskülönbségéből kimutatható a GH hatása. • = 1 m hullámhosszú lézer világítja meg.

EGO VIRGO (European Gravitational Observatory) Galilei és a kövek • • • 3 km hosszú interferométer karok Többszörös fényút 120 km effektív optikai úthossz Nd: YAG dióda pumpálta lézer világítja meg, = 1064 nm Érzékenység 10 Hz -10 k. Hz-en Pisától 13 km-re, Cascinában található A francia CNRS és olasz INFN kollaboráció Több mint 250 kutató: francia, olasz, holland, lengyel és magyar

LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory)

A tükör tesztelése

Vibrációs izoláció • • • Súlyok „kötegein” és csillapított rugókon tartott optikai táblák A huzalokra felfüggesztetés további izolációt biztosít a tükröknek A Virgo+ és LIGO+ detektorhoz aktív izolációt is felszerelnek

Alapvető zajforrások Frekvenciaérzékenyégi tartomány: ~ 40 – 2000 Hz • Ha egy detektor nem tökéletesen hangolt, más zajforrások könnyen elnyomhatják a GH-jelet

Gravitációshullám források Tipikus „chirp”-jel: Forrástípusok és detektorok: Jelalakok: