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 megnyúlás a Földön: h ~ 10−21 0,000000000000000000001 ~ a hidrogénatom átmérőjével!

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 Rezonátor-tömeg detektorok Interferometrikus detektorok A GH árapalyerő hatását méri félmerev testeken. 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. A fluktuációkat mér két szabad test közötti fényútban. Újabb generáció: modern technikai megoldások tették lehetővé, nagyfokú az izoláció. Szélesebb tartományban, 10 Hz-10 kHz között érzékeny. Joseph Weber és GH-antenája,1966.

Michelson-féle lézer interferométer bemeneti teszttömeg ~ 15 kW teszttömeg ~ 6 W hátsó teszttömeg nyalábosztó erősítő tükör dark port fotodióda lézer 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 Pisától 13 km-re, Cascinában található A francia CNRS és olasz INFN kollaboráció Több mint 250 kutató: francia, olasz, holland, lengyel és magyar 3 km 3 km 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 kHz-en

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: