La collocazione del giroscopio laser ad anello GINGERino presso i laboratori sotterranei dell'INFN del Gran Sasso, Italia. Credito:Belfi et al.
I ricercatori in Italia sperano di misurare la rotazione della Terra utilizzando un giroscopio basato su laser alloggiato in profondità nel sottosuolo, con sufficiente precisione sperimentale per rivelare effetti misurabili della teoria della relatività generale di Einstein. La tecnologia del giroscopio laser ad anello (RLG) che consente queste misurazioni basate sulla Terra fornisce, a differenza di quelli realizzati facendo riferimento a oggetti celesti, informazioni sulla rotazione inerziale, rivelando fluttuazioni nella velocità di rotazione dal sistema di riferimento messo a terra.
Un gruppo dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) sta lavorando a un programma di ricerca volto a misurare la precessione giroscopica che subisce la Terra a causa di un effetto relativistico chiamato effetto Lense-Thirring. Questo programma, chiamati Giroscopi in Relatività Generale (ZENZERO), alla fine utilizzerebbe una serie di RLGS così altamente sensibili. Per adesso, hanno dimostrato con successo il suo prototipo, GINGERino, e acquisito una serie di misurazioni sismiche aggiuntive necessarie nei loro sforzi.
Nel diario di questa settimana Rassegna di strumenti scientifici , il gruppo riferisce di aver installato con successo lo strumento GINGERino monoasse all'interno del laboratorio sotterraneo LNGS dell'INFN, e la sua capacità di rilevare il movimento rotatorio locale del suolo.
In definitiva, GINGER mira a misurare il vettore della velocità di rotazione della Terra con una precisione relativa migliore di una parte per miliardo per vedere i minuscoli effetti Lense-Thirring.
"Questo effetto è rilevabile come una piccola differenza tra il valore della velocità di rotazione della Terra misurato da un osservatorio a terra, e il valore misurato in un sistema di riferimento inerziale, " disse Jacopo Belfi, autore principale e ricercatore della sezione di Pisa dell'INFN. "Questa piccola differenza è generata dalla massa e dal momento angolare della Terra ed è stata prevista dalla teoria della relatività generale di Einstein. Dal punto di vista sperimentale, è necessario misurare il vettore della velocità di rotazione della Terra con una precisione relativa migliore di una parte per miliardo, corrispondente a una risoluzione della velocità di rotazione assoluta di 10-14 [radianti al secondo]."
Il giroscopio laser ad anello GINGERino, che è una cavità quadrata con una lunghezza di lato di 3,6 metri. Credito:Belfi et al.
Il posizionamento nel sottosuolo di questi sistemi è essenziale per allontanarsi sufficientemente dai disturbi esterni dell'idrologia, variazioni di temperatura o pressione barometrica per eseguire questo tipo di misurazioni sensibili.
Questo prototipo pilota dovrebbe rivelare informazioni uniche sulla geofisica, ma, secondo Belfi, "installazioni sotterranee di grandi RLG, privo di disturbi di superficie, può anche fornire informazioni utili sulla geodesia, il ramo della scienza che si occupa della forma e dell'area della Terra."
L'obiettivo finale di GINGERino è raggiungere una precisione relativa di almeno una parte per miliardo, nel giro di poche ore, integrarsi con le informazioni meno precise sul cambiamento di rotazione della Terra fornite dai dati del sistema di posizionamento globale e dalle misurazioni astronomiche dell'International Earth Rotation System.
"Gli RLG sono essenzialmente interferometri ottici attivi in configurazione ad anello, "Il nostro interferometri ha detto Belfi. "I nostri interferometri sono tipicamente costituiti da tre o quattro specchi che formano un anello chiuso per due fasci ottici contrari che si propagano lungo l'anello. A causa dell'effetto Sagnac, un interferometro ad anello è un rivelatore di velocità angolare estremamente accurato. È essenzialmente un giroscopio."
L'approccio del gruppo ha permesso la prima installazione sotterranea profonda di un RLG ultrasensibile di grandi dimensioni in grado di misurare la velocità di rotazione della Terra con una risoluzione massima di 30 picorad/secondo.
Scarica a radiofrequenza del laser ad anello GINGERino. Un plasma elio-neon viene generato al centro di un lato dell'anello attraverso un capillare in pirex. Credito:Belfi et al.
"Una particolarità dell'impianto GINGERino è che è volutamente posizionato all'interno di una zona ad alta sismicità del centro Italia, " ha detto Belfi. "A differenza di altre grandi installazioni di RLG, GINGERino può effettivamente esplorare le rotazioni sismiche indotte dai terremoti vicini".
Una delle maggiori sfide durante l'installazione di GINGERino è stata il controllo dell'umidità relativa naturale, che era superiore al 90 per cento.
"Con questo livello di umidità, il funzionamento a lungo termine dell'elettronica di GINGERino non sarebbe praticabile, " ha detto Belfi. "Quindi per aggirare questo problema, abbiamo racchiuso l'RLG all'interno di una camera di isolamento e aumentato la temperatura interna della camera tramite una serie di lampade a infrarossi alimentate a tensione costante."
Facendo così, il gruppo è stato in grado di ridurre l'umidità relativa fino al 60 percento. "Non ha degradato in modo significativo la naturale stabilità termica della posizione sotterranea, che ci consente di mantenere stabile la lunghezza della cavità di GINGERino entro una lunghezza d'onda del laser (633 nanometri) per diversi giorni, " Egli ha detto.
GINGERino è ora operativo, insieme alle apparecchiature sismiche fornite dall'Istituto Italiano di Geofisica e Vulcanologia, come osservatorio sismico rotazionale.
"GINGERino e un sismometro a banda larga co-locato consentono di recuperare, tramite un'unica stazione, informazioni sulla velocità di fase dell'onda superficiale sismica che nella sismologia standard richiede l'uso di grandi schiere di sismometri, " disse Belfi.
