ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Preventivo per

Transcript

ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA
NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2004
Codice
Esperimento
AIRWATCH−RD
Rapp. Naz.: A. PETROLINI
Rappresentante nazionale:
Struttura di appartenenza:
Posizione nell'I.N.F.N.:
Gruppo
2
A. PETROLINI
GE
INFORMAZIONI GENERALI
Linea di ricerca
Laboratorio ove
si raccolgono i dati
Sigla dello
esperimento
assegnata dal
laboratorio
Astrofisica delle Particelle:
esperimento EUSO (Extreme Universe Space Observatory)
dedicato allo studio
della radiazione cosmica di altissima energia dallo Spazio.
Esperimento EUSO (dell'ESA) sulla International Space Station (ISS).
Programma di RDdedicato allo sviluppo del fotorivelatore dell'esperimento EUSO che sta completando (a
giugno 2003)
lo studio di fase A (studio di fattibilita`) per l'ESA.
Acceleratore usato
Fascio
(sigla e
caratteristiche)
Studio della radiazione cosmica di altissima energia tramite l'osservazione dallo spazio degli sciami
atmosferici estesi
prodotti nell'atmosfera terrestre dai raggi cosmici.
Processo fisico
studiato
Apparato
strumentale
utilizzato
Sistema per la rivelazione di fotoni ultravioletti a largo campo di vista, grande apertura, veloce e sensibile alla
posizione da installarsi su satellite oppure sulla ISS.
CT, FI, GE, TO, TS
Sezioni partecipanti
all'esperimento
ESA; ASI, IASF/CNR, INAF e varie Universita` italiane;
IN2P3 e CNES; MPI Munich; NASA e varie Universita` USA; RIKEN e NASDA.
Istituzioni esterne
all'Ente partecipanti
Esperimento EUSO: tre anni di presa dati, con inizio alla fine del 2008.
Durata esperimento
Mod EC. 1
(a cura del responsabile nazionale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Struttura
GE
Codice
Esperimento
AIRWATCH−RD
Resp. loc.: A. PETROLINI
Gruppo
2
PREVENTIVO LOCALE DI SPESA PER L'ANNO 2004
In KEuro
IMPORTI
VOCI
DI
SPESA
DESCRIZIONE DELLA SPESA
Parziali
SJ
Meetings tecnici e di Collaborazione ( 5m x 2g x 2.0p )
5.0
Collaborazioni tecniche con gruppi italiani ( 4m x 5g x 1.0p )
4.0
Trasferte coordinatore nazionale ( 5m x 2g x 1.0p )
3.0
Contatti e collaborazioni con le industrie ( 12m x 1g x 2.0p ) 18,0
4.0
Meetings con ESA ( 4m x 3g x 1.5p )
6.0
Meetings tecnici e di Collaborazioni in EU ( 3m x 4g x 2.0p )
8.0
Meetings tecnici e di Collaborazioni in US/Jp ( 2m x 7g x 2.0p )
8.0
Collaborazione con Grenoble per sviluppo prototipo del chip front−end ( 2 mesi uomo )
9.0
Micro−cell per R8900−M36 e f/e chip integrato. Sviluppo, prototipi e costruzione della
basetta MAPMTs ed accessori:
8.0
Realizzazione circuiti di test per il chip di front−end (v3) 5.0
4.0
Materiale di consumo per realizzazione prototipi cella elementare a Photo−Detector
Modules: Materiali, componenti e lavorazioni elettroniche
4.0
Totale Compet.
SJ
16.0 0.0
31.0 0.0
3.0
19.0 0.0
Materiale di consumo per realizzazione prototipi cella elementare a Photo−Detector
Modules: Potting resin space qualified
0.0 0.0
Consorzio
Ore CPU
Spazio Disco
Cassette
Altro
0.0 0.0
0.0 0.0
Setup di caratterizzazione e qualifica per lo sviluppo e i tests del chip di front−end e della
cella elementare.
25.0
8.0
Due MAPMTs per tests spazializzazione cella elementare, R8900−M36. (completamento
della microcella prototipo con R8900−M36).
33.0 0.0
0.0 0.0
Totale
99.0 0.0
Sono previsti interventi e/o impiantistica che ricadono sotto la disciplina della legge Merloni ?
Breve descrizione dell'intervento:
Mod EC./EN. 2
(a cura del responsabile locale)
A cura della
Comm.ne
Scientifica
Nazionale
Struttura
GE
Codice
Esperimento
AIRWATCH−RD
Gruppo
2
ALLEGATO MODELLO EC2
Mod EC./EN. 2a Pagina 1
Struttura
GE
Codice
Esperimento
AIRWATCH−RD
Gruppo
2
AIRWATCH-RD 2004: programma della sezione di Genova
Il programma della sezione di Genova è il proseguimento del programma iniziato nel 2001 e tiene conto
del fatto che, in caso di approvazione di EUSO da parte ESA, nel 2004 inizierà la fase B del progetto,
dedicata allo studio dettagliato del progetto e alla progettazione esecutiva. Il programma di Genova si
articola quindi nei punti seguenti, alcuni dei quali saranno svolti in collaborazione con le altre Sezioni
INFN.
1) Studio e simulazione della propagazione dei raggi cosmici di altissima energia su distanze
cosmologiche. Studio delle potenzialità osservative dell’esperimento EUSO in rapporto ai diversi
possibili scenari fisici e agli altri esperimenti nel campo, passati, presenti e futuri.
2) Avanzamento dello sviluppo della struttura del programma di simulazione completa di EUSO.
Sviluppo della simulazione completa del fotorivelatore.
3) Definizione dei requirements per un rivelatore di raggi cosmici di altissima energia dallo spazio, con
riferimento ad EUSO e definizione dei requirements imposti dalla Missione Spaziale. Trade-off tra i
diversi requirements e ottimizzazione del progetto dell'apparato sperimentale basata sul programma di
simulazione completa. Aggiornamento dello studio delle potenzialità osservative di EUSO.
4) Studio e definizione di architettura e layout del fotorivelatore di EUSO. Le responsabilità dei gruppi
INFN riguardano l’alloggiamento dei sensori, l'elettronica di front-end, il sistema di raccolta della
luce sul sensore, la struttura di supporto e tutti gli elementi accessori necessari al funzionamento,
controllo e monitoraggio del sensore ed all'estrazione dei dati. Definizione delle soluzioni agli aspetti
più critici del fotorivelatore e studio degli aspetti legati all'operazione in spazio.
5) Sviluppo, progetto e prototipazione della cella elementare del fotorivelatore. Il cambiamento del
sensore di baseline richiede un adattamento del progetto esistente, anche per introdurre il chip di
front-end.
6) Studio di fattibilità, sviluppo, progettazione, prototipazione e test dell'elettronica di front-end del
fotorivelatore. È in programma lo sviluppo del prototipo di terza generazione che dovrebbe essere
emulare da vicino quello che sarà il chip finale.
7) Test e caratterizzazione della cella elementare e dei moduli del fotorivelatore.
8) Sviluppo, ottimizzazione, ingegnerizzazione e progettazione del fotorivelatore: progettazione
meccanica, termica ed elettrica a livello di cella elementare e moduli del fotorivelatore. Realizzazione
prototipo strutturale realistico di un modulo del fotorivelatore (con elementi, in parte, dummy) per
tests termici, elettrici e meccanici. Adattamento all'operazione in ambiente spaziale e integrazione del
fotorivelatore con il payload ed il modulo Columbus.
Codice
Esperimento
AIRWATCH−RD
NUCLEARE
Gruppo
2
PREVENTIVO GLOBALE DI SPESA PER L'ANNO 2004
In KEuro
A CARICO DELL' I.N.F.N.
Struttura Miss. interno Miss. estero.
di cui SJ
CT
FI
GE
TO
TS
TOTALI
di cui SJ
Materiale
di cons.
di cui SJ
Trasp.
e Facch.
di cui SJ
Spese
Calc.
di cui SJ
Affitti e
Manut.
Appar.
di cui SJ
Mater.
inventar.
di cui SJ
Costr.
appar.
di cui SJ
TOTALE
Compet.
A
carico
di altri
Enti
di cui SJ
16,0
14,0
16,0
25,5
7,0
34,0
20,0
31,0
29,0
18,0
6,0
33,5
19,0
20,0
20,0
6,0
10,0
18,5
33,0
22,0
10,0
72,0
86,0
99,0
96,5
55,0
78,5
132,0
98,5
6,0
93,5
408,5
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
NB. La colonna A carico di altri enti deve essere compilata obbligatoriamente
Note:
Mod EC./EN. 4
Codice
Esperimento
AIRWATCH−RD
NUCLEARE
Gruppo
2
A) ATTIVITA' SVOLTA FINO A GIUGNO 2003
B) ATTIVITA' PREVISTA PER L'ANNO 2004
C) FINANZIAMENTI GLOBALI AVUTI NEGLI ANNI PRECEDENTI
Anno
Missioni Missioni
finanziario interno estero
In kEuro
Materiale
Affitti e
Trasp. e Spese
Materiale Costruz.
di
Manut.
TOTALE
Facch. Calcolo
inventar. apparati
consumo
Apparec.
2001
2002
2003
52.0
36.5
43.5
37.0
40.5
54.0
80.0
63.0
102.0
3.0
3.5
3.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
52.0
37.5
38.0
0.0
0.0
0.0
224.0
181.0
240.5
TOTALE
132
131.5
245
9.5
0
0
127.5
0
645.5
Mod EC. 5
(a cura del rappresentante nazionale)
AirWatch-RD: attività in corso nel 2003
TEORIA e MODELLI
1) Studio della propagazione di raggi cosmici di altissima energia su distanze cosmologiche: variazione della composizione
chimica durante la propagazione ed effetto dei campi magnetici.
2) Analisi preliminare delle potenzialità osservative dell’esperimento EUSO in rapporto ai diversi possibili scenari fisici e
agli altri esperimenti nel campo, sulla base dell’apparato definito al termine della fase A.
SIMULAZIONI e ANALISI DATI
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
Sviluppo del simulatore ibrido di EAS UNISIM.
Analisi di sensibilità del rivelatore a neutrini provenienti dall'alto.
Analisi di sensibilità del rivelatore ad EAS indotti da neutrini τ provenienti dal basso.
Sviluppo di algoritmi di ricostruzione di geometria, energia ed XMAX degli EAS.
Studio della dipendenza della risposta dalla dimensione del pixel del fotorivelatore.
Realizzazione di frame-work e struttura del programma completo di simulazione di EUSO (ESAF).
Analisi preliminare delle prestazioni dell’esperimento EUSO sulla base dell’apparato definito al termine della fase A.
OTTICA
1) Sviluppo di una soluzione che accoppia l'azione di raccolta dei fotoni e l'azione di filtro passa-banda.
CARATTERIZZAZIONE e TEST
1) Tests strutturali preliminari su prototipi strutturale della cella elementare e dei moduli del fotorivelatore.
SVILUPPO DEL FOTORIVELATORE
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
Studio preliminare di architettura e layout del fotorivelatore e analisi preliminare della sua ingegnerizzazione.
Studio concettuale e sviluppo di cella elementare e moduli del fotorivelatore.
Realizzazione prototipo funzionale della basetta di supporto per la cella elementare del fotorivelatore.
Inizio dello sviluppo dell'interfaccia IEFE (interface EUSO front-end), basato su logiche programmabili.
Tests sulla versione 2 del chip di front-end.
Studio del sistema di alimentazione del MAPMT: ottimizzazione del partitore di tensione.
Sistema di distribuzione delle alte e basse tensioni: studio preliminare dell’architettura e dell’inclusione di batterie.
MISURE DI SUPPORTO
1) Setup per misure di luce Cherenkov riflessa (ULTRA): prime misure sul terreno, nelle vicinanze del lago del Moncenisio
(Francia), con scintillatori plastici visti da due fototubi ciascuno. Lo scopo di queste prime misure è stato di verificare il
sistema, il timing e di ottenere i primi risultati fisici.
AirWatch-RD: programma delle attività per il 2004
Il programma è il proseguimento del programma iniziato nel 2001 e tiene conto del fatto che, in caso di approvazione di EUSO
da parte ESA, nel 2004 inizierà la fase B del progetto, dedicata allo studio dettagliato del progetto e alla progettazione
esecutiva. Per la fase A la Collaborazione Internazionale ha raggiunto un accordo sulla suddivisione delle responsabilità
sull’apparato sperimentale del progetto EUSO. Il programma di R&D proposto all’INFN è coerente con tale suddivisione.
TEORIA e MODELLI
1) Studio dei meccanismi di produzione e di accelerazione di raggi cosmici di altissima energia in sorgenti cosmiche
compatte e predizioni sulla composizione; studio dell’effetto dei campi magnetici sulla propagazione su distanze
cosmologiche.
2) Studio delle potenzialità osservative dell’esperimento EUSO in rapporto ai diversi possibili scenari fisici e agli altri
esperimenti nel campo, passati, presenti e futuri, nell'ottica di una previsione realistica degli obiettivi scientifici da
perseguire con l'esperimento EUSO.
3) I seguenti punti saranno in particolare analizzati: proprietà attese di clustering su piccola scala angolare; determinazione di
elementi distintivi di Nuova Fisica per l’esperimento EUSO; composizione chimica attesa in diversi modelli di origine dei
raggi cosmici di altissima energia e corrispondenti effetti di propagazione sulla composizione chimica; ruolo di campi
magnetici cosmologici sulla propagazione della radiazione cosmica di altissima energia.
SIMULAZIONI
1) Avanzamento dello sviluppo del programma di simulazione completa dell'esperimento (processi fisici ed apparato
sperimentale), ESAF (programma ufficiale di simulazione di EUSO). Sviluppo della simulazione completa del
fotorivelatore.
2) Simulazioni di EAS (simulatore ibrido UNISIM): aggiornamento della simulazioni di sotto-sciami di bassa energia e
inclusione di UNISIM in ESAF,
3) Analisi della ricostruzione degli EAS: cinematica, energia, XMAX.
4) Definizione dei requirements per un rivelatore di raggi cosmici di altissima energia dallo spazio, con riferimento ad EUSO
e definizione dei requirements imposti dalla Missione Spaziale. Trade-off tra i diversi requirements e ottimizzazione del
progetto dell'apparato sperimentale basata sul programma di simulazione completa. Aggiornamento dello studio delle
potenzialità osservative di EUSO.
OTTICA
1) Sviluppo di prototipi delle ottiche di raccolta e dei filtri UV per il MAPMT: per lo studio sperimentale delle soluzioni
simulate con il ray-tracing: realizzazione di lenti in PMMA; studio del filtro integrato nell'adattatore per determinare la
forma e la posizione migliore; studio di multi-strati che ottimizzano la banda passante e altri che facciano azione di antiriflesso.
CARATTERIZZAZIONE e TEST
1) Tests di qualificazione funzionale su prototipo della cella elementare del fotorivelatore.
2) Tests strutturali e di termo-vuoto su prototipi della cella elementare e dei moduli del fotorivelatore.
SVILUPPO DEL FOTORIVELATORE
1) Studio degli aspetti più critici del fotorivelatore e degli aspetti legati all'operazione in spazio.
2) Studio e definizione di architettura e layout del fotorivelatore di EUSO.
3) Realizzazione prototipo completo del chip di front-end (architettura di EUSO). È in programma lo sviluppo del prototipo
di terza generazione che dovrebbe essere emulare da vicino quello che sarà il chip finale.
4) Completamento dell'interfaccia IEFE (interface EUSO front-end), basato su logiche programmabili. Realizzazione del
firmware per la caratterizzazione del MARS (Multi-Anode Readout System.
5) Sviluppo, ottimizzazione, ingegnerizzazione e progettazione del fotorivelatore: progettazione meccanica, termica ed
elettrica a livello di cella elementare e moduli del fotorivelatore. Realizzazione prototipo strutturale realistico di un
modulo del fotorivelatore (con elementi, in parte, dummy) per tests termici, elettrici e meccanici. Adattamento
all'operazione in ambiente spaziale e integrazione del fotorivelatore con il payload ed il modulo Columbus.
6) Studio di fase B del sistema di alimentazione del fotorivelatore e studio del sistema di batterie.
MISURE DI SUPPORTO
1) Misure luce Cherenkov riflessa (ULTRA): completamento con misure sul mare e su superfici continentali.
Codice
Esperimento
AIRWATCH−RD
NUCLEARE
Gruppo
2
PREVISIONE DI SPESA
Piano finanziario globale di spesa
In KEuro
ANNI
Miss.
Miss.
Materiale Trasp. e Spese
FINANZIARI interno estero. di cons. Facch. Calc.
2004
2005
TOTALI
Mod EC./EN. 6
78.5
70.0
132
130.0
148,5 262,0
98.5
85.0
6
5.0
183,5
11,0
0
0.0
Affitti e
Manut.
Appar.
0
0.0
Mater.
inventar
Costr.
appar.
TOTALE
Compet.
93.5
15.0
0
0.0
408.5
305.0
108,5
713,5
Struttura
GE
Codice
Esperimento
AIRWATCH−RD
Gruppo
2
COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA
N
1
2
3
4
5
6
7
RICERCATORE
Cognome e Nome
Qualifica
Dipendenti
Incarichi
Affer.
al
. gruppo
%
N
Ruolo Art. 23 RicercaAssoc
DE MARCO Daniel
FONTANELLI Flavio
GRACCO Valerio
PALLAVICINI Marco Ric.
PETROLINI Alessandro
SANNINO Mario
THEA Alessandro
Dott.
P.A.
P.O.
R.U.
P.A.
Dott.
TECNOLOGI
Cognome e Nome
100 1 CUNEO Stefano
30 2 MUSICO Paolo
30
50
90
10
100
2
1
1
2
1
1
2
Qualifica
Incarichi %
Ass.
Ruolo Art. 23
Tecnol.
Tecn.
20
Tecn.
30
Dipendenti
Numero totale dei Tecnologi
Tecnologi Full Time Equivalent
N
Numero totale dei ricercatori
Ricercatori Full Time Equivalent
Cognome e Nome
Qualifica
Incarichi
Dipendenti
Ruolo Art. 15
Collab.
tecnica
Annotazioni:
mesi−uomo
14.0
2.0
3.0
Osservazioni del direttore della struttura in merito alla
disponibilità di personale e attrezzature
Il programma presentato in Consiglio di Sezione per l'anno 2004 e' consistente con il numero di persone
interessate, gli spazi e le attrezzature a disposizione.
Mod EC./EN. 7
%
Assoc.
tecnica
7 Numero totale dei Tecnici
4.1 Tecnici Full Time Equivalent
SERVIZI TECNICI
Denominazione
1 officina elettronica
2 officina meccanica
3 Progettazione meccanica
TECNICI
2
0.5
0
0
Codice
Esperimento
AIRWATCH−RD
NUCLEARE
Gruppo
2
MILESTONES PROPOSTE PER IL 2004
Data
completamento
Descrizione
31/12/2004
Relizzazione di tests di qualificazione su elementi critici del fotorivelatore
(cella−elementare e moduli del fotorivelatore).
31/12/2004
Realizzazione del prototipo del chip di front−end (versione 3)
basato sull'architettura definita al termine della fase A.
31/12/2004
Sviluppo del programma di simulazione completo dell'esperimento
(processi fisici ed apparato sperimentale).
31/12/2004
Ulteriore approfondimento delle potenzialita` osservative dell'esperimento,
sulla base dello studio di fase A e dello sviluppo di fase B
attraverso il programma di simulazione completo di EUSO.
31/12/2004
Ulteriori misure di riflessione/diffusione del segnale Cherenkov
dal suolo (acqua, terreno) e da nuvole.
31/12/2004
Sviluppo del prototipo delle ottiche di raccolta e dei filtri UV.
31/12/2004
Studio e definizione del sistema di alimentazioni di EUSO.
Mod EC./EN. 8
Codice
Esperimento
Gruppo
ANTARES
2
Rapp. Naz.: De Marzo Carlo
NUCLEARE
De Marzo Carlo
BA
Astronomia dei neutrini di alta energia
Linea di ricerca
Laboratorio ove
Apparato sottomarino al largo di Tolone (Francia) e relativo laboratorio a terra
Sigla dello
esperimento
assegnata dal
laboratorio
Acceleratore usato
Fascio
(sigla e
caratteristiche)
Rivelazione di neutrini astrofisici di alta energia
Ricerca di 'Dark Matter'
Misura di oscillazioni di neutrini atmosferici
Processo fisico
studiato
Apparato
strumentale
utilizzato
Telescopio sottomarino per neutrini
Bari, Bologna, Catania, Genova, LNS, Pisa, Roma1
all'esperimento
Istituzioni europee della Collaborazione ANTARES
Istituzioni esterne
Durata esperimento
Mod EC. 1
3 anni per l'installazione (dal 2004, modulare)
10 anni per la presa dati (dal 2006)
Struttura
GE
Codice
Esperimento
ANTARES
Resp. loc.: M. ANGHINOLFI
Gruppo
2
In KEuro
IMPORTI
VOCI
DI
SPESA
meetings in Italia
Parziali
Totale Compet.
SJ
SJ
5.0
5.0
3 collaboration meetings 3 persone x 3giorni
12.0
4 periodi di 15 giornix2 persone ( assemblaggio linee)
20.0
6 partecipazioni allo Steering Committee
7.0
barre in titanio grado V per lavorazione numero 6+6 flange contenitori String Control
Module/String Power Module
15.0
0.0
39.0 0.0
15.0 0.0
trasporto SCM/SPM a Marsiglia
Consorzio
Ore CPU
1.0
Spazio Disco
Cassette
1.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
Altro
6 connettori elettro ottici della ditta Ocean Design (undersea wet mateable connector) che 144.0
ancora mancano per il comletamento fornitura
144.0 0.0
Totale
204.0 0.0
Mod EC./EN. 2
A cura della
Comm.ne
Scientifica
Nazionale
Struttura
GE
Codice
Esperimento
ANTARES
Gruppo
2
"Nel secondo semestre del 2002 il gruppo ha partecipato all'assemblaggio delle due linee di test ( Sector Line, SL, e Mini
Instrumentation Line, MIL), rese operative con la connessione del marzo 2003.
In particolare ci si e' occupati dei due Bottom String Socket (BSS) che rappresentano l'ancora 'instrumentata' delle
stringhe del rivelatore. L'attivita' sui BSS si e' concentrata sia su test di sgancio in piscina per qualificare il sistema di
connessione elettro ottico che sulla successiva fase di montaggio.
Sempre nel secondo semestre 2002, abbiamo curato l'assemblaggio di alcune parti della JB ( realizzata a Genova),il suo
allogiamento nel frame e abbiamo partecipato al successivo deployment nel sito di Antares.
Nel primo semestre 2003 e' proseguita la produzione dei contenitori in titanio della elettronica alla base delle stringhe
(SCM/SPM) e dopo la connessione della SL e MIL si e' partecipato ai turni di raccolta dati.
Per tutto il periodo il nuovo responsabile della meccanica di Antares (Ing. S. Cuneo) ha partecipato alle riunioni dello
Steering Committee
Struttura
GE
Codice
Esperimento
ANTARES
Gruppo
2
Codice
Esperimento
Gruppo
ANTARES
2
NUCLEARE
In KEuro
di cui SJ
BA
BO
CT
GE
LNS
PI
RM1
TOTALI
di cui SJ
Materiale
di cons.
di cui SJ
12,0
12,0
6,0
5,0
11,0
14,0
8,0
66,0
81,0
39,0
39,0
48,0
43,0
63,0
112,0
5,0
42,0
15,0
5,0
27,0
3,0
68,0
379,0
209,0
Trasp.
e Facch.
di cui SJ
5,0
Spese
Calc.
di cui SJ
Affitti e
Manut.
Appar.
di cui SJ
Mater.
inventar.
Costr. appar.
di cui SJ
di cui SJ
13,0
4,0
30,0
1,0
3,0
5,0
17,0
44,0
34,0
53,0
71,0
144,0
147,0
82,0
48,0
A
carico
di altri
Enti
TOTALE
Compet.
di cui SJ
261,0
102,0
188,0
204,0
214,0
188,0
74,0
48,0 0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
497,0 48,0 1231,0 48,0
Note:
Mod EC./EN. 4
Codice
Esperimento
Gruppo
ANTARES
2
NUCLEARE
La costruzione dell'apparato, al giugno 2003 è la seguente:
− dopo il deployment, la Junction Box (JB)è stata provata con successo, i parametri di funzionamento (temperatura ed umidità interne)
vengono trasmessi a terra con regolarità e risultano normali;
− è stato fatto il deployment di un prototipo di stringa (PSL, 15 moduli ottici) e di un prototipo di linea strumentata (MIL), che sono state
connese alla JB ed hanno cominciato a trasmettere dati a terra;
− i dati della PSL permetteranno uno studio approfondito dei segnali di fondo dovuti alla bioluminescenza; queste misure dovranno
prolungarsi per quanto sarà necessario a determinare la dipendenza stagionale del fenomeno;
− la MIL è stata recuperata quasi subito per rimediare ad un guasto intervenuto a causa di un connettore difettoso.
La costruzione delle componenti dell'apparato procede con l'intento di accelerarne il completamento (12 stringhe) per la fine del 2005, ma
con il vincolo posto dalla necessità di utilizzare l'esperienza riveniente dalla messa in opera dei prototipi.
− prosecuzione e completamento degli studi sulla dipendenza stagionale del fondo di segnali prodotti dalla bioluminescenza;
− prosecuzione della costruzione delle parti dell'apparato;
− inizio dell'assemblaggio e dei test delle 12 stringhe;
− deployment della prima stringa ed inizio della presa di dati di fisica.
Anno
Missioni Missioni
In kEuro
Affitti e
Materiale
Materiale Costruz.
Trasp. e Spese
TOTALE
Manut.
di
inventar. apparati
Facch. Calcolo
Apparec.
consumo
2001
2002
2003
55.0
43.0
38.0
154.0
213.0
223.0
88.0
134.0
114.5
0.0
16.0
17.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
273.0
294.0
20.5
453.5
315.0
355.5
1023.5
1015.0
768.5
TOTALE
136
590
336.5
33
0
0
587.5
1124
2807
Mod EC. 5
Codice
Esperimento
Gruppo
ANTARES
2
NUCLEARE
PREVISIONE DI SPESA
In KEuro
ANNI
Miss.
FINANZIARI interno
2004
2005
2006
2007
2008
TOTALI
Mod EC./EN. 6
68
68.0
68.0
68.0
68.0
Miss.
estero.
379
340.0
340.0
340.0
340.0
340,0 1739,0
di cons.
Facch. Calc.
209
200.0
150.0
150.0
150.0
44
40.0
20.0
10.0
10.0
859,0
124,0
0
0.0
0.0
0.0
0.0
Affitti e
Manut.
Appar.
0
0.0
0.0
0.0
0.0
Mater.
inventar
Costr.
appar.
TOTALE
Compet.
34
10.0
10.0
10.0
10.0
497
50.0
10.0
10.0
10.0
1231.0
708.0
598.0
588.0
588.0
74,0
577,0 3713,0
Struttura
GE
Codice
Esperimento
ANTARES
Gruppo
2
N
1
2
3
4
5
RICERCATORE
Cognome e Nome
Qualifica
Dipendenti
Incarichi
Affer.
al
. gruppo
%
3
3
3
3
3
80
40
30
40
30
N
ANGHINOLFI Marco D.R.
BATTAGLIERI Marco Ric.
CORVISIERO Pietro
DE VITA Raffaella
Ric.
RIPANI Marco
P.S.
AsRic
TECNOLOGI
Cognome e Nome
1 CUNEO Stefano
Qualifica
Incarichi
Ass.
Ruolo Art. 23
Tecnol.
Tecn.
Dipendenti
N
Cognome e Nome
1
0.25
Qualifica
Incarichi
Dipendenti
Ruolo
Art. 15
Collab.
tecnica
%
Assoc.
tecnica
20
20
2
0.4
Annotazioni:
mesi−uomo
5.0
3.0
Mod EC./EN. 7
25
1 PARODI Franco
CTer.
2 ROTTURA Andrea CTer.
SERVIZI TECNICI
Denominazione
TECNICI
%
NUCLEARE
Codice
Esperimento
Gruppo
ANTARES
2
Data
completamento
Descrizione
30.06.2004
Inizio assemblaggio delle 12 stringhe
31.12.2004
Deployment della Linea Strumentata completa
31.12.2004
Deployment della prima stringa
31.12.2004
Software per l'analisi dati pronto per l'impiego
31.12.2004
Completamento degli studi del fondo prodotto da bioluminescenza
Mod EC./EN. 8
NUCLEARE
Codice
Esperimento
Gruppo
ATHENA2−RD
2
Rapp. Naz.: Gemma Testera
Gemma
Testera
GE
PROGRAMMA DI RICERCA
A) INFORMAZIONI GENERALI
STUDIO DELLE PROBLEMATICHE LEGATE RAFFREDDAMENTO E
Linea di ricerca
Laboratorio ove
Sigla dello
esperimento assegnata dal
laboratorio
CONFINAMENTO DI ATOMI DI ANTIDROGENO
FIRENZE
GENOVA
ATHENA2−RD
/
Acceleratore usato
Fascio
(sigla e caratteristiche)
Processo fisico
studiato
Apparato strumentale
utilizzato
all'esperimento
Istituzioni esterne all'Ente
partecipante
/
VERIFICA DEL PRINCIPIO DI EQUIVALENZA PER ATOMI DI ANTIMATERIA
SORGENTI DI IDROGENO,LASERS,TRAPPOLE ELTTROMAGNETICHE,PLASMI
CARICHI NON NEUTRI.
FIRENZE
GENOVA
/
5 ANNI
Durata esperimento
B) SCALA DEI TEMPI : piano di svolgimento
PERIODO
ATTIVITA' PREVISTA
− PROGETTO E INSTALLAZIONE DELL'APPARATO PER TEST DI CONFIG. DI CAMPI
2004
2005
2006−2007−2008−
Mod EN. 1
ELETTROMAGNETICI ADATTI AL CONFINAMENTO DI POSITRONI E ANTIPROTONI E
DELL'ANTIDROGENO .
− PROGETTO DEL SISTEMA DI GENERAZ. LUCE LYMAN ALPHA
− REALIZZ. SORG. H
−PREPARAZIONE PROPOSAL
MONTAGGIO APPARATO DI RD E MISURE IN LABORATORIO A GENOVA E a
FIRENZE
COMPLETAMENTO PRESA DATI SU APPARATO DI RD
Struttura
GE
Codice
Esperimento
ATHENA2−RD
Resp. loc.: Gemma Testera
Gruppo
2
In KEuro
VOCI
DI
SPESA
IMPORTI
DESCRIZIONE DELLA
SPESA
Parziali
A cura della
Comm.ne
Scientifica
Nazionale
Totale Compet.
SJ
SJ
Viaggi Genova − Firenze
Ruolo
1
2
3
4
Art. 23 Ricerca Assoc.RuoloArt. 23
FONTANELLI Flavio
GRACCO Valerio
SANNINO Mario
P.A.
P.O.
R.U.
P.A.
1
1
1
1
70
60
10
90
Ass.
Tecnol.
1 CUNEO Stefano
2 MUSICO Paolo
Tecn.
Tecn.
Qualifica
TECNICI
Dipendenti
Incarichi
N
Cognome e
Nome
Ruolo
1 AMERI Matteo CTer.
2 MINI' Giuseppe CTer.
Annotazioni:
SERVIZI TECNICI
Denominazione
mesi−uomo
1.0
3.0
4.0
Art. 15
10
10
2
0.2
%
Collab. Assoc.
tecnica tecnica
25
100
2
1.25
Il programma presentato in Consiglio di Sezione per l'anno 2004 è consistente con il numero di persone
Mod EC./EN. 7
Struttura
GE
Codice
Esperimento
ATHENA2−RD
Gruppo
2
MISSIONI ESTERE: riguardano contatti al CERN per la scrittura del proposal definitivo, e con un gruppo a Berkeley che
svolge attivita' sperimentale sul confinamento di plasmi in campi non assialmente simmetrici.
CONSUMO: gli elettrodi e la struttura meccanica della trappola verranno realizzati su nostro disegno. Il materiale da vuoto
comprende flange, orings e parti di raccordo.
Il materiale per il baking e' necessario per ottenere ultralto vuoto (sonde, nastri riscaldanti).
I cavi criogenici sono una srtuttura che gia' abbiano realizzato per ATHENA, in cui i cavi sono coassiali miniaturizzati
inseriti entro tubi di inox collegati ad un sistema di pompaggio indipendente da quello principale. L'apparato da vuoto
principale vede solo i tubi di inox.
RGA 200: e' un analizzatore di gas residuo; il prezzo e' quello del catalogo.
Magnete + criostato: chiediamo che le cifre siano sub−judice ad un nostro progetto dettagliato; 200 K€ e' una stima
approssimata.
Struttura
GE
Codice
Esperimento
ATHENA2−RD
Gruppo
2
Codice
Esperimento
Gruppo
ATHENA2−RD
2
NUCLEARE
In KEuro
Struttura
Miss.
interno
Miss.
estero.
di cui SJ
FI
GE
TOTALI
Materiale
di cons.
di cui SJ
9,0
5,0
16,0
20,0
14,0
36,0
di cui SJ
45,0
30,0
5,0
75,0 5,0
Trasp.
e Facch.
di cui SJ
Spese
Calc.
di cui SJ
Affitti e
Manut.
Appar.
Mater. inventar.
Costr. appar.
di cui SJ
di cui SJ
390,0
30,0
340,0
TOTALE
Compet.
di cui SJ
140,0
200,0
200,0
A
carico
di altri
Enti
di cui SJ
600,0
285,0
340,0 0,0
205,0 0,0
420,0 340,0 340,0 200,0 885,0 545,0
Note:
Mod EC./EN. 4
Nuovo esperimento Gruppo
ATHENA2−RD
2
PROPOSTA DI NUOVO ESPERIMENTO
Mod EN5
ATHENA2-RD
M. Amoretti1, C. Carraro1,2, L. Cacciapuoti3, R. Drullinger3, M. Fattori3, G.
Ferrari4, V. Lagomarsino1,2, M. Macri’1, G. Manuzio1,2, M. Prevedelli5, N. Poli3, L.
Ricci6 , G. Testera1, G. M. Tino3, A. Variola1
1) Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Genova , I-16146 Genova
2) Dipartimento di Fisica, Universita’ di Genova, I-16146 Genova va
3)Dipartimento di Fisica e LENS - Universita' degli Studi di Firenze, INFN - Sezione di Firenze, I50019
4)Dipartimento di Fisica e LENS - Universita' degli Studi di Firenze, INFM - Firenze, I-50019
5) Universita' di Bologna e INFN - Sezione di Firenze
6) Dipartimento di Fisica - Universita' di Trento, I-38050 Trento-Povo
Abstract
Questo documento descrive una proposta di attivita’ di ricerca e sviluppo finalizzata alla
preparazione di una proposta di esperimento per la verifica del principio di equivalenza
per antimateria utilizzando atomi di antidrogeno. L’ interesse di questoprogetto e’ legato
alla disponibilita’ di atomi di antidrogeno con bassa temperatura dimostrata nel 2002
dall’ esperimento Athena.
Il proposal dovra’ essere presentato al CERN entro il 2004.
La collaborazione scientifica nazionale e internazionale interessata a questo esperimento
e’ attualmente in fase di formazione; i gruppi italiani delle Universita’ e sezioni INFN di
Pavia e Brescia (gruppo collegato) attualmente partecipanti con il gruppo di Genova all’
esperimento ATHENA in gruppo 3, esprimono gia’ da ora un grande interesse scientifico
e intendono collaborare alla scrittura del proposal.
Introduzione
L'esperimento Athena (finanziato dalla commissione III INFN) ha prodotto e rivelato
nell'estate 2002 [1] atomi di antidrogeno con energia dell'ordine del meV e cioe’
equivalenti a temperature dell'ordine della decina di gradi Kelvin. Successivamente l'
esperimento ATRAP [2] ha pubblicato dati simili.
Il risultato ha riscosso un interesse enorme nell'ambiente scientifico
(e anche
divulgativo)
poiche'
la
disponibilita'
di
atomi
di
antimateria
freddi
apre la strada per eseguire verifiche di principi di fisica fondamentale su un sistema
fisico completamenete nuovo e con alta precisione.
Atomi di antiidrogeno erano gia' stati prodotti prima al CERN [3] e poi
a Fermilab [4] in processi di interazione di antiprotoni con energia di diversi GeV su
bersagli di Xenon o idrogeno. Gli antiatomi prodotti in questi processi hanno energia
confrontabile con quella del fascio degli antiprotoni incidenti e la sezione d'urto di
produzione ha valori tipici dell'ordine della decina di picobarn. Il numero di antiatomi
prodotti in questi esperimenti e' basso (dell’ordine della decina).
L'esiguo numero e, soprattutto, la alta energia rendevano difficile l'utilizzo di questi
atomi come un sistema su cui eseguire tests di fisica fondamentale con alta precisione.
Due sono dunque i fattori che rendono il risultato di Athena importante per gli sviluppi
futuri: il primo e' la bassa energia degli atomi prodotti e il secondo e' l'alto numero degli
antiatomi che si riesce ad avere a disposizione. Infatti nel 2002, in tre mesi di presa dati,
ATHENA ha prodotto circa un milione di atomi di antidrogeno.
La disponibilita' di atomi freddi schiude le porte di un settore di ricerca completamente
nuovo in cui la fisica delle particelle e la fisica atomica si possono integrare e permettere
per esempio di eseguire verifiche del principio di equivalenza per antimateria, test di
CPT con altissima precisione e ottenere risultati completamente originali di fisica
atomica [5],[6],[7].
Le metodologie sperimentali tipiche della fisica degli atomi freddi quali il confinamento
magnetico, il laser cooling, il confinamento magneto-ottico e infine l'interferometria
atomica e la spettroscopia ad alta precisione ampiamente utilizzate con atomi ordinari
devono essere adattate e integrate con le tecnologie utilizzate in Athena per produrre
antiatomi e cioe' le tecniche di confinamento e raffreddamento di antiprotoni e positroni
in trappole elettromagnetiche, la fisica dei plasmi non neutri e freddi, le tecniche di
rivelazione, simulazione e analisi degli eventi tipiche della fisica nuclere o della fisica
delle alte energie, l’ultra-alto vuoto e la criogenia.
Sebbene tutte queste metodologie sperimentali separatemente siano utilizzate a livello di
routine, la loro integrazione in un apparato unico e l'applicazione all'antidrogeno pone
dei problemi nuovi. L'attivita' che stiamo proponendo riguarda l'approfondimento di
alcune problemi sperimentali che devono essere risolti per poter arrivare ad eseguire
misure del tipo di quelle citate (test di CPT o del principio di equivalenza) e definire una
nuova proposta di esperimento.
Sebbene, come sara' chiaro dai paragrafi successivi, l'attivita' che proponiamo e’
indispensabile sia per disegnare un esperimento di spettroscopia che un esperimento
per la verifica del principio di equivalenza, il nostro interesse scientifico prevalente e'
rivolto al test del principio di equivalenza per antimateria.
In questo documento dapprima vengono riassunti i risultati principali sulla produzione
di antidrogeno in Athena e viene poi discusso l' interesse scientifico delle misure che si
possono effettuare su antidrogeno freddo e descritto il contesto internazionale in cui
questa attivita' e' inserita. Vengono poi evidenziati i problemi chiave ancora da
approfondire prima di poter disegnare un apparato sperimentale e descritta la proposta
di attivita' di R&D di cui chiediamo il finanziamento.
La produzione di antidrogeno in Athena
Gli atomi di antidrogeno in Athena vengono prodotti attraverso il processo atomico di
ricombinazione dei suoi costituenti (positroni e antiprotoni) che vengono raffreddati fino
a energie dell'ordine del meV, manipolati e confinati all'interno di trappole
elettromagnetiche.
I due processi di ricombinazione che intervengono sono la ricombinazione radiativa e la
ricombinazione a tre corpi
p + e + → H + hυ
p + e+ + e+ → H + e+
L'esperimento e' installato al CERN presso la macchina AD (Antiproton Decelerator) che
e' una facility al momento unica al mondo che fornisce, ogni 90 secondi, antiprotoni con
5 MeV di energia cinetica in “shots” della durata di qualche centinaio di ns che
contengno circa 3 107 antiprotoni.
La decelerazione da 5 MeV fino ai meV necessari per la ricombinazione e' effettuata entro
l'apparato sperimentale.
I positroni sono forniti da un sorgente di Na22 e devono a loro volta essere raffreddati e
accumulati entro l'apparato sperimentale.
Le trappole elettromagnetiche [8] sono lo strumento fondamentale che permette di
confinare per tempi macroscopici (centinaia o migliaia di secondi), manipolare e
raffreddare le particelle cariche. Esse sono costituite da una serie di elettrodi cilindrici
di opportuna lunghezza a cui vengono applicati dei potenziali statici. Si realizza cosi'
una buca di potenziale nella direzione assiale che permette il confinamento di particelle
con opportuno segno della carica se la loro energia e' minore della profondita' della buca
(trappole di Penning o trappole di Malmberg).
La figura seguente mostra un esempio.
Radialmente il campo elettrico risultante e' necessarimente repulsivo e il confinanento
richiede l'uso di un campo magnetico uniforme diretto lungo l’asse del sistema (asse z).
Il moto delle particelle entro queste trappole e', nei casi di interesse, descritto in termini
di traiettorie classiche e in molte situazioni non e' possibile trascurare gli effetti di carica
spaziale. In particolare in AThena la nuvola di positroni utilizzata nel processo di
ricombinazione (circa 7 107 positroni con densita' dell’ordine 108 /cm3, raggio di circa 2
mm, estensione assiale totale di circa 3 mm e temperatura di poche decine di Kelvin [9])
deve esser considerata un plasma non neutro freddo.
La dinamica e le caratteristiche di plasmi completamente carichi e freddi confinati in
trappole elettromagnetiche e’ ampiamente studiata sia a livello teorico che sperimentale
da diversi gruppi di ricerca [10] da molti anni. Alcuni di questi gruppi sono in stretto
contatto con Athena.
Il confinamento simultaneo di particelle con carica di segno opposto e' piu' delicato e in
Athena si usa una configurazione detta ``trappola nested'' in cui una regione che confina
positroni e' posta al centro di una regione piu' ampia in cui si confinano antiprotoni (vedi
figura). Gli antiprotoni durante la loro oscillazione assiale attraversano dunque la nuvola
di positroni, interagiscono con essa ed eventualmente ricombinano.
L'apparato [11] e' composto da diverse parti che svolgono il compito di cattura e
raffreddamento degli antiprotoni di AD, raffreddamento e accumulo di positroni,
trasporto e manipolazione delle nuvole cariche, sovrapposizione spaziale delle nuvole
cariche per permettere la ricombinazione, rivelazione degli atomi di antidrogeno.
Le trappole elettromagnetiche sono montate in una camera a vuoto raffreddata fino a 15
Kelvin e inserite in un campo magnetico di 3 Tesla realizzato con un magnete
superconduttore. Gli atomi di antidrogeno neutri non sono confinati entro l’apparato e,
una volta prodotti, annichilano sulle pareti metalliche della trappola.
Il rivelatore [12] montato attorno alla regione di ricombinazione, e' un elemento chiave
dell'apparato che permette la rivelazione delle annichilazione di antidrogeno e la loro
identificazione rispetto a quelle dovute a annichilazioni dei singoli costituenti. E’ formato
da un doppio strato di rivelatori al silicio e da cristali di CsI: i segnali rivelati dai silici
permettono la ricostruzione del vertice dovuto alle annichilazioni antiprotone-nucleo e i
cristalli permettono la rivelazione dei gamma da 511 KeV dovuti alla annichilazione
positrone-elettrone. L’evento di annichilazione di antidrogeno e’ identificato attraverso la
coincidenza spazio temporale dei segnali dovuti alla annichilazione antiprotone-nucleo e
positrone-elettrone.
In un ciclo di misura tipico circa 104 antiprotoni vengono fatti sovrapporre a un plasma
freddo (15 Kelvin circa) di circa 7107 positroni per 180 secondi.
Risulta che in queste condizioni il 15% degli antiprotoni ricombina in antidrogeno con
una rate che decresce nel tempo ma che assume valori iniziali superiori a 100 Hz [13].
La caratteristiche del plasma di positroni influenzano il processo di formazione di
antidrogeno e le caratteristiche (energia e direzione di emissione) dello stato finale in cui
l’antidrogeno e’ emesso.
Il plasma in equilibrio termodinamico con temperatura T e’ caratterizzato da un moto
coerente di rotazione attorno all’asse del sistema dovuto alla presenza del campo
magnetico e dei campi elettrici (carica spaziale+ campi applicati).
La frequenza di rotazione dipende dalla densita’ del plasma. La temperatura del sistema
e’ quindi definita nel sistema di riferimento rotante e, nei casi di interesse in cui l’energia
dovuta alla carica spaziale e’ maggiore di quella termica, si puo’ descrivere il plasma
come un sistema con temperatura che tende a zero. La temperatura reale e’ dell’ordine
della temperatura delle trappole (i positroni raggungono l’equilibrio termico con
l’ambiente con una costante tempo di circa 0.4 secondi).
In questo caso risulta che il plasma e’ un ellissoide di rotazione con densita’ costante e
che i campi dovuti alla carica spaziale ccompensano i campi applicati in direzione
assiale. Dunque in direzione assiale un antiprotone che attraversa il plasma subisce
decelerazione per collisioni con i positroni ma si muove in un campo elettrico
mediamente nullo. Radialmente il campo elettrico dovuto ai positroni rafforza quello
dovuto ai potenziali applicati agli elettrodi. Il moto radiale di un antiprotone entro il
plasma deve tenere conto di questi campi e il risultato e’ che l’ antiprotone ruota con una
velocita’ angolare praticamente uguale a quella dei positroni.
Il rate di ricombinazione dipende dalla velocita’ relativa tra antiprotoni e positroni ma la
energia con cui l’atomo di antidrogeno emerge dal plasma dipende dalla velocita’ dell’
antiprotone nel sistema del laboratorio.
I dati di Athena del run del 2002 indicano che il detector rivela antiatomi emessi in modo
pressoche’ isotropo [14].
L’energia degli antiatomi non e’ stata ancora misurata direttamente ma, dalle
considerazioni precedenti, risulta che il suo valore non puo’ essere inferiore a qualche
decina di Kelvin.
Motivazioni per esperimenti con antimateria a bassa energia
Antidrogeno e simmetria CPT
L’invarianza CPT e’ una delle proprieta’ fondamentali delle teorie di campo quantistiche
in uno spazio tempo piatto ed e’ conseguenza di alcune ipotesi di base della teoria e cioe’
la localita’, l’ invarianza per trasformazioni di Lorentz e l’unitarieta’. Le conseguenze
principali includono la predizione che particelle e antiparticelle devono avere la stessa
massa e vita media, la stessa carica e momento magnetico in modulo. Segue anche che
la struttura fine, iperfine, il Lamb shift di sistemi legati di materia e antimateria devono
essere identici.
L’invarianza CPT e’ stata verificata sperimentalmente in numerosi sistemi fisici.
La tabella seguente riporta alcuni dati tratti dal Particle Data Book 2002
(me+-me-)/me< 4 10-8
(qe+-qe-)/ qe< 4 10-8
(g +-g -)/ gaver
= (-2.6 +- 1.6 ) 10-8
(q/m)pbar/(q/m)p
= (1.5 +-1.1) 10-9
(ge+-ge-)/ gaver
= (-0.5 +- 2.1) 10-12
< 10-18
(mK0-mK0)/mK0
Il test piu preciso e’ quello sui kaoni neutri ma la sua interpretazione non e’
completamente indipendente da modelli.
La spettroscopia dell’atomo di idrogeno utilizzando tecniche di confinamento di atomi
freddi [15] o usando beam atomici freddi [16] ha raggiunto precisioni molto elevate.
La frequenza della transizione 1S-2S e’ stata misurata con una risoluzione di 1.5 10-14
utilizzando atomi di idrogeno con energia pari a frazioni di mKelvin.
La larghezza intrinseca di soli 1.3 Hz di questa riga offre la possibilita’ di eseguire un test
diretto di CPT con una precisione di una parte 1018 confrontando la frequenza della
transizione in idrogeno e antidrogeno. Simili tests sono possibili utilizzando altre
transizioni.
Il punto importante e’ che la precisione elevata di queste misure e’ legata alla bassissima
energia dell’atomo che e’ essenziale sia per il suo confinamento che per limitare effetti
Doppler nelle misure con fasci. Se queste energie potessero essere raggiunte per atomi di
antidrogeno allora le metodologie di misura usate per atomi potrebbero essere usate per
antiatomi.
Antidrogeno e principio di equivalenza
Il principio di equivalenza e’ il fondamento della teoria della gravitazione universale di
Einstein e prevede che l’accelerazione gravitazionale di oggetti in caduta libera sia
indipendente dalla loro composizione. Nonostante questo principio sia stato verificato
con grande accuratezza per oggetti composti di materia ordinaria, non esiste nessun test
diretto della validita’ del principio di equivalenza per antimateria.
Notiamo che la validita’ di CPT anche in una teoria che includa la gravitazione non
assicurerebbe la validita’ automatica del principio di equivalenza per antimateria nel
campo gravitazionale terrestre. CPT direbbe solo che un atomo di antidrogeno cade verso
una antiterra con la stessa accelerazione con cui un atomo di idrogeno cade verso la
terra.
Inoltre lo studio delle proprieta’ gravitazionali della antimateria potrebbe offrire una
chiave per verificare modelli di teorie di quantum gravity dove accanto al gravitone
vengono introdotte altre particelle con spin 0 (graviscalare) oppure 1 (gravivettore).
Queste particelle mediano interazioni che al limite classico provocono deviazioni nella
legge 1/r del potenziale Newtoniano [17]. Forze mediate da particelle scalari sono
attrattive se l’interazione e’ materia-materia o materia-antimateria ma forze mediate da
particelle vettoriali cambiano segno se l’interazione e’ materia-materia o tra materia e
antimateria.
Questo fatto fu osservato prima prima ancora che nascesse l’interesse sulle misure in
cui si verifica la dipendenza delle accelerazione di gravita’ dalla composizione degli
oggetti materiali (esperimenti sulla cosiddetta 5 forza). Nonostante tali esperimenti
possana fornire limiti su interazioni mediate da particelle vettoriali, un confronto diretto
della accelerazione di gravita’ di materia e antimateria sarebbe di indubbio interesse
scientifico [18]
Un esperimento per misurare la differenza della accelerazione di gravita’ tra antiprotoni
e protoni e’ stato approvato al CERN presso LEAR intorno alla meta’ degli anni 80
(PS200) [19].
Il metodo consisteva nel misurare la distribuzione dei tempi di volo di antiprotoni freddi
lanciati verticalmente in un tubo di drift di un metro di lunghezza. Le precisioni previste
erano a livello del 1%. Nel seguito sono state proposte e studiate tecniche piu’ accurate
[20]. La misura non e’ mai stata effettuata ma PS200 ha posto le basi delle metodologie
sperimentali utilizzate in Athena. Tra i proponenti della presente attivita’ ci sono persone
che furono coinvolte in PS200.
La misura della accelerazione di gravita’ g su antiprotoni risulta molto difficile a causa
soprattutto della debolezza della forza gravitazionale rispetto a quella elettrica: basti
pensare che un campo elettrico di soli 10-7 V/m produce su un antiprotone una forza
uguale a quella gravitazionale.
La disponibilita’ di antimateria in forma neutra permetterebbe di superare molte delle
difficolta’ legate alla misura con particelle cariche. Risulta pero’ evidente che qualunque
sia il metodo di misura utlizzato occorre disporre di particelle molto lente cioe’ con
energia inferiore al mKelvin.
In assenza di un qualunque dato sperimentale sulla validita’ del principio di equivalenza
una misura con una precisione come quella prevista da PS200 e’ comunque un
traguardo fondamentale ma le prospettive possoni essere molto piu’ ambiziose perche’ la
tecnologia della manipolazione degli atomi freddi confinati in trappole magneto-ottiche e
le tecniche di interferometria atomica hanno permesso di misurare la accelerazione di
gravita’ su atomi con precisioni di 10-8-10-9 [21].
Alcuni dei proponenti della presente attivita’ sono impegnati nell’ esperimento MAGIA
che usa appunto queste metodologie sperimentali [22]. Precisioni simili si potranno
raggiungere in futuro con atomi di antimateria se si riuscira’ ad applicare ad atomi di
antidrogeno queste tecnologie.
Contesto e scadenze internazionali
Come risulta chiaro dai paragrafi precedenti, per poter eseguire misure di fisica
fondamentale su atomi di antidrogeno occorre disporre di antiatomi con energia inferiore
al milliKelvin. Nonostante i problemi siano comuni a esperimenti di spettroscopia o
esperimenti sulla verifica del principio di equivalenza, il nostro interesse scientifico e’
rivolto al progetto di un esperimento per la verifica del principio di equivalenza
utlizzando atomi di antidrogeno.
Prima di poter progettare un apparato che permetta di eseguire misure di questo tipo,
dobbiamo approfondire alcuni problemi preliminari tra di loro collegati e in particolare
occorre eseguire attivita’ di R&D sui problemi relativi al
1) confinamento dell’antidrogeno
2) raffreddameno dell’antidrogeno
Questa attivita’ , che si dovrebbe svolgere nei laboratori di Genova e Firenze, ha come
scopo la definizione di un proposal da presentare al CERN.
L’esperimento ATHENA, cosi’ come gli altri due esperimenti installati su AD attualmente,
prendera’ dati nel 2003 e nel 2004. Nel 2005 AD non fornira’ fascio a causa della
decisione del CERN sulla pausa degli acceleratori in questo anno.
L’attivita’ su AD dovrebbe riprendere al CERN a partire dal 2006 con esperimenti nuovi.
Il CERN richiede la presentazione di nuovi proposals (attualmente la scadenza e’ l’
estate 2004) competitivi che giustifichino la riapertura e il mantenimento della
macchina dopo la pausa del 2005.
I gruppi che firmano la presente proposta intendono svolgere attivita’ di ricerca per
risolvere le questioni sperimentali descritte a proposito dell’ intrappolamento e
raffreddamento di antidrogeno e, in collaborazione con i gruppi di Pavia e Brescia che
sono coinvolti in Athena, intendono lavorare per arrivare a un progetto di un apparato e
di un esperimento da proporre al CERN entro i tempi richiesti.
Inoltre, non appena la sigla Athena sara’ chiusa, il numero di fisici equivalenti del
gruppo di Genova comprendera’, oltre quelli indicati adesso, tutti coloro che attualmente
partecipano ad Athena.
Alcuni degli Istituti attualmente coinvolti in Athena hanno gia’ dichiarato interesse per
un esperimento sul principio di equivalenza, con altri sono in corso discussioni.
E’ interessante osservare che esiste un progetto del CERN che prevede un sostanziale
miglioramento di AD per il 2006: l’idea e’ quella di utilizzare un deceleratore a
radiofrequenza identico a quello installato e gia’ funzionante sull’ esperimento ASACUSA
[23]. Questo deceleratore, seguito da un trappola elettromagnetica del tipo di quelle di
Athena, permette di aumentare di un fattore 100 il numero di antiprotoni freddi (energie
intorno all’eV o subeV) rispetto a quello che attualmente si ottiene in ATHENA. Questo e’
un risultato che la collaborazione ASACUSA ha gia’ raggiunto.
Il deceleratore dovrebbe diventare parte della macchina che fornira’ cioe’ agli utenti
antiprotoni con energia intorno all’ eV. Questo progetto e’ stato descritto a Monaco
durante l’ workshop sul futuro di AD a maggio 2003.
Sottolineiamo inoltre che la linea di ricerca sulla antimateria a bassa energia ha
prospettive piu’ ampie di quelle offerte attualmente dal CERN perche’ presso la facility di
acceleratori recentemente approvata al GSI e’ prevista una linea con antiprotoni del tutto
simile all’attuale AD. Anche qui e’ previsto l’uso di un deceleratore a radiofrequenza.
Questa nuova facility entrera’ in funzione nel 2010.
Principi del confinamento magnetico
Il confinamento magnetico di specie atomiche neutre si basa sull'interazione tra il
momento magnetico atomico ed un campo magnetico statico disomogeneo
opportunamente modellato. Il termine che descrive tale interazione e’
H = −µ ⋅ B (r )
µ
dove
indica il momento di dipolo magnetico dell’atomo e B (r ) e’ il campo magnetico.
Nell'ipotesi di validita’ dell'approssimazione adiabatica, ossia se la frequenza di Larmor
risulta molto maggiore del tasso di variazione del campo magnetico visto nel sistema di
riferimento dell'atomo, l'Hamiltoniana diviene:
H = ±µ B
Gli atomi con segno '-' sono chiamati High-Field-Seekers (HFS) dal momento che sono
attratti e intrappolati dai punti di massimo del modulo del campo magnetico; viceversa,
quelli con il segno '+' sono attratti dai punti di minimo del modulo del campo e sono detti
Low-Field-Seekers(LFS).
Il fatto che un campo magnetico statico risulti irrotazionale determina l'impossibilita’ di
trovare punti di massimo del modulo all'interno di un mezzo omogeneo [24]: essi
possono essere trovati esclusivamente all'interfaccia tra due mezzi con diversa
permeabilita’ o nelle sorgenti di campo. Da cio’ deriva l'impossibilita’ di confinare gli HFS
nel vuoto. Per contro, e’ possibile creare minimi di modulo del campo magnetico ed
intrappolare quindi i LFS, ad esempio utilizzando una coppia di bobine in configurazione
anti-Helmholtz.
La profondita’ della buca di potenziale dipende, oltre che dai termini dello sviluppo del
campo maggiori o uguali al primo (gradiente, curvatura, ecc.), dal momento magnetico
della specie da intrappolare. Nel caso degli atomi alcalini (ivi compreso l'idrogeno [25])
che in virtu’ dell'unico elettrone di valenza risultano paramagnetici, si ha che il momento
magnetico e’ di fatto pari a un magnetone di Bohr e cioe’ 0.67 K/T.
Dunque per confinare antidrogeno con energie inferiori a circa 670 mK in una regione
con dimensioni lineari di pochi cm occorre realizzare dei gradienti di campo magnetico
dell’ordine del Tesla/cm.
Generazione e geometria del potenziale di confinamento
Nella gran parte delle applicazioni attuali, i campi magnetici necessari per
l'intrappolamento sono generati mediante distribuzioni di corrente. Un secondo
approccio riguarda l'impiego di magneti permanenti (si veda ad esempio [26]) con
l'eventuale aggiunta di materiali ad alta permeabilita’ [27] al fine di incrementare il
gradiente di campo.
La generazione del campo mediante magneti permanenti presenta, sulla prima soluzione,
il vantaggio di evitare problemi legati all'ingombro dei conduttori e, nel caso non vengano
usati superconduttori, alla dissipazione termica. D'altro canto, l'impiego di correnti
consente di accendere, modulare o spegnere il potenziale di confinamento, un vantaggio
che in numerose situazioni sperimentali si rivela risolutivo.
Un aspetto fondamentale e’ costituito poi dalla scelta della geometria della sorgente di
campo e quindi della distribuzione spaziale del campo magnetico stesso. Un ruolo
importante in tale ambito e’ giocato dall'approssimazione adiabatica, la cui violazione
comporta la perdita degli atomi intrappolati per Majorana spin-flips. Il campo di
quadrupolo generato da una coppia di bobine in configurazione anti-Helmholtz non
costituisce in tal senso una soluzione ideale, al contrario della cosiddetta configurazione
Ioffe-Pritchard [28] che viene attualmente utilizzata in un gran numero di esperimenti
con atomi freddi. La figura seguente mostra la geometria dei conduttori nella trappola di
Ioffe-Pritchard. Notiamo che il sistema non ha simmetria di rotazione.
Come veniva ricordato in precedenza, l'idrogeno e’ una delle specie atomiche per le quali
la tecnica dell'intrappolamento magnetico risulta applicabile. D'altra parte, a differenza
delle altre specie alcaline, l'idrogeno non e’ altrettanto ben manipolabile con le tecniche
di Laser Cooling and Trapping. La ragione di cio’ risiede nella difficolta’ di produrre
radiazione risonante con la transizione atomica fondamentale, la Lyman-alfa di 112.5
nm.
Negli esperimenti su idrogeno freddo, ivi compresa la condensazione di Bose-Einstein, il
raffreddamento di un campione di idrogeno atomico fino a temperature dell'ordine o
inferiori alle profondita’ dei potenziali di confinamento (dell’ordine del Kelvin) viene
realizzato mediante tecniche termodinamiche.
Queste ultime risultano efficienti solo in presenza di densita’ atomiche superiori a 1012
cm-3. Un tale valore pregiudica la possibilita’ di applicare attualmente tecniche analoghe
su atomi di antiidrogeno.
Da queste considerazioni risulta evidente che l'obiettivo di intrappolare l'antiidrogeno
richiedera’ l'impiego di tecniche alternative o lo sviluppo di nuove. Un possibile approccio
riguarda l'utilizzo di potenziali di intrappolamento basati su altre interazioni (per
esempio con campi elettrici) o comunque su combinazioni di forze. In tal senso va
menzionato che e’ attualmente in fase di ultimazione a Trento un esperimento in grado
di intrappolare atomi di Rubidio mediante una combinazione di forza magnetica e
gravitazionale. Un secondo aspetto riguarda lo sfruttamento della particolare situazione
nella quale gli atomi di antiidrogeno vengono prodotti nell'esperimento ATHENA: esiste
infatti la possibilita’ che gli atomi si trovino in stati di Rydberg, ossia con numero
quantico principale e con momento angolare orbitale molto elevato.
Cio’ implicherebbe una maggiore risposta nei confronti dei gradienti di campo magnetico
ed elettrico, rispettivamente a causa di un maggiore fattore di Lande’ e di una maggiore
polarizzabilita’ elettrica.
Un problema fondamentale da studiare riguarda la possibilita’ di produrre antidrogeno
tramite ricombinazione di positroni e antiprotoni e di confinarlo nello stesso volume in
cui viene prodotto. Occorre a questo scopo una configurazione di campi elettrici e
magnetici che permetta il confinamento stabile sia delle particelle cariche (in stato di
plasma) che costituiscono l’ antiatomo che degli antiatomi neutri.
Questa configurazione di campi non e’ banale da individuare: la semplice aggiunta di
una trappola tipo Ioffe Pritchard alla regione di confinamento dei plasmi carichi non
permette in generale di avere stabilita’ nel confinamento del plasma. Il motivo e’ la
mancanza di simmetria di rotazione che si genera a causa della trappola di Ioffe
Pritchard. La simmetria di rotazione e’ fondamentale per assicurare il confinamento del
plasma completamente carico per tempi macroscopici. Questa simmetria si traduce
nella conservazione del momento angolare del sistema e quindi nella conservazione del
raggio quadratico medio. Ogni fenomeno di trasporto radiale in presenza di simmetria di
rotazione deve conservare il raggio quadratico medio del plasma e questo limita quindi la
possibilita’ di espansione e perdita di particelle.
Il gruppo di J. Fajans a Berkeley, [29] con cui siami in contatto, ha eseguito misure su
questo problema (stabilita’ di plasmi di elettroni in campi quadrupolari).
Campi magnetici multipolari si avvicinano di piu’ a una configurazione con simmetria di
rotazione e potrebbero essere piu’ vantaggiosi (30)
Altri gruppi [31] hanno individuate e stanno studiando configurazioni di confinamento
completamente diverse.
Attivita’ sperimentale proposta sul confinamento di antidrogeno
Proponiamo di studiare questo problema dapprima definendo la geometria di un sistema
di confinamento idoneo alla formazione e al simultaneo confinamento di particelle
cariche e neutre e poi eseguendo test di stabilita’ per particelle cariche nella
configurazione individuata.
I test potranno essere eseguitinei laboratori INFN di Genova riutilizzando parte della
strumentazione gia’ finanziata dall’INFN nell’ ambito di Athena e in passato di PS200.
Dati i valori dei campi magnetici in gioco, comunque sara’ definita’ la geometria del
campo magnetico, appare evidente che si debbano usare avvolgimenti superconduttori.
Stiamo valutando se e’ possibile modificare un magnete superconduttore (3 Tesla, bore
di 15 cm di diamtro a temperatura ambiente) presente nei nostri laboratori in modo da
inserire avvolgimenti per produrre i necessari gradienti oppure se e’ conveniente
realizzare un magnete nuovo.
L’apparato sperimentale che stiamo progettando consiste di una trappola tipo MalmbegPenning del tutto simile a una porzione di quella utilizzata in Athena che sara’ posta in
una camera a vuoto possibilmente criogenica. Il campo magnetico deve consentire il
confinamento delle particelle cariche e di antidrogeno. Plasmi di elettroni possono essere
facilmente generati (lo facciamo di routine in Athena perche’ gli elettroni ci servono per il
processo di electron cooling degli antiprotoni) entro trappole elettromagnetiche
utlizzando come sorgente un filamento che emette per effetto termoionico. Gli elettroni in
alto campo magnetico si raffreddano in tempi brevi per radiazione e raggiungono
idealmente l’equilibrio termico con l’ambiente in cui sono montate le trappole (4 Kelvin).
Densita’ di diversi 108 cm-3 si raggiungono con poche decine di Volts applicati agli
elettrodi delle trappole. I tempi di confinamento e la stabilita’ si studiano con misure
distruttive (dump del plasma su una Faraday cup) o non distruttive quali la rivelazione
dei modi di plasma. Su questo aspetto abbiamo lavorato molto in Athena e abbiamo
raggiunto risultati originali mettendo a punto una diagnostica che permetter di misurare
densita’, dimensioni e numero di particelle confinate con perturbazioni trascurabili al
sistema[9]. Introducendo gradienti di campo magnetico sara’ importante avere a
disposizione una diagnostica distruttiva con risoluzione radiale del tipo di quella usata
in questo genere di esperimenti (schermo al fosforo e CCD) da altri gruppi.
L’ultraalto vuoto e’ un parametro importantissimo: abbiamo esperienza su questo
aspetto e anche parte della attrezzatura necessaria.
L’elettronica comprende la parte per l’applicazione dei segnali di polarizzazione degli
elettrodi e impulsi per estrarre o muovere le particelle in trappola oltre che l’elettronica
per la rivelazione di modi di plasma (radiofrequenza) e la manipolazione delle particelle.
Parte della elettronica verra’ realizzata nei nostri laboratori. Il sistema di gestione e di
acquisizione sara’ simile a quello di Athena cioe’ basato sull’uso di schede National e un
PC con Labview. I dati verranno poi analizzati con tools standard quali root.
Va verificata la stabilita’ di plasmi (quello di elettroni simulera’ quello di positroni in un
esperimento finale) e di nuvole di particelle dove l’effetto di carica spaziale e’ trascurabile
e che dovrebbe corrisposndere al caso degli antiprotoni.
Nell’apparato si potranno generare e confinare protoni. I protoni si generano facendo
incidere un fascio di elettroni su una targhetta e ionizzando il gas desorbito.
Se il segno dei potenziali applicati agli elettrodi e’ quello giusto i protoni rimangono
confinati in trappola.
Questa facility di test che stiamo progettando dovrebbe essere un oggetto con cui si
eseguono tests di idee da applicare all’apparato finale e dovrebbe restare in funzione
anche quando l’apparato finale sara’ definito per permettere facilmente di verificare
nuove procedure di manipolazione di particelle o altro.
La presenza
di una facility di tests di questo tipo avrebbe aiutato molto la
sperimentazione effettuata in Athena.
Prima di definire con piu’ dettaglio l’apparato sperimentale occorre, da parte nostra,
studiare ed eseguire calcoli sulle possibili configurazione di campo magnetico
potenzialmente adatte anche al confinamento delle particelle di antidrogeno olte che a
quello delle particelle cariche. La collaborazione con alcune persone di gruppo 5 di
Genova con grande esperienza sul progetto di magneti superconduttori risultera’ molto
preziosa e fondamentale sara’ l’esperienza del gruppo di Firenze (e delle persone dei
gruppi di Bologna e Trento che fanno riferimento alla sede di Firenze) sul confinamento
di particelle neutre in trappole magnetiche.
Attivita’ sperimentale proposta sul raffreddamento di antidrogeno
Sia per aumentare l’ efficienza di intrappolamento che per poter eseguire gli esperimenti
cui si e’ accennato, occorre un sistema efficiente di raffreddamento per gli atomi di
antidrogeno. La tecnica del laser cooling e’ utilizzata con successo nel campo del
raffreddamento degli atomi.
Le misure attualmente in corso in ATHENA sembrano indicare che gli atomi di
antiidrogeno che vengono prodotti attualmente
sono principalmente nello stato
fondamentale ed hanno una temperatura tra i 20 ed i 100 Kelvin e la loro velocita' nel
sistema del laboratorio e' sostanzialmente data dalla velocita' termica. Gli atomi hanno
quindi velocita' medie tra i 400 ed i 900 m/s.
Una trappola magnetica per atomi neutri nello stato fondamentale ha una profondita' di
circa 670 mK/Tesla. La scala di distanze in cui in una trappola di quadrupolo si passa
dallo zero del modulo del campo a valori di qualche Tesla e' di qualche cm.
Per potere immagazzinare con alta efficienza in una trappola magnetica gli atomi prodotti
dalla ricombinazione e' necessario non solo ridurre la temperatura al di sotto di pochi
Kelvin ma anche farlo in tempi brevi (poche decine di microsecondi ).
Sembra ovvio pensare di ricorrere alle tecniche di laser cooling: la transizione Ly-alpha,
dal livello 1S al 2P, a 121 nm, ha le desiderabili proprieta' di essere fortemente permessa
(tau=1.6 ns) e ad elevata frequenza.
Per arrestare un atomo di antiH che si muove a 900 m/s contro un fascio di radiazione
Ly-alpha basta l'impulso di circa 300 fotoni e, in condizioni di saturazione, il tempo
necessario per farlo puo' essere, potenzialmente, di 300*tau=0.5 microsecondi, pari a
una distanza di meno di 0.5 mm.
In realta', passando da 900 m/s a 0, l'effetto Doppler sposta la frequenza di
assorbimento degli atomi di circa 7.5 Ghz, da confrontare con la larghezza naturale della
transizione di 100 MHz. E' quindi necessario mantenere in risonanza gli atomi, mano a
mano che decelerano, con la radiazione. Una possibilita' puo' essere l'utilizzo di una
sorgente Ly-alpha a banda sufficientemente larga. In alternativa si puo' sfruttare l'effetto
Zeeman applicando un gradiente di campo magnetico. Alla riduzione della velocita'
longitudinale, tuttavia, e' associato un effetto di riscaldamento dato che i fotonivengono
assorbiti da una sola direzione ma riemessi in modo isotropo.
Due fasci di radiazione contropropaganti, spostati verso il rosso della transizione
possono, oltre che ridurre la velocita', anche diminuire la temperatura assiale a scapito
di quella trasversa. L'effetto Doppler porta infatti gli atomi ad assorbire fotoni
preferenzialmente dal fascio contropropagante. La temperatura minima raggiungibile in
questo schema (Temperatura Doppler) e' quella che corrisponde ad una velocita' che
causa un effetto Doppler dell'ordine della larghezza naturale della transizione, circa 3
mK, nel nostro caso.
Una sorgente Ly-alpha con una larghezza spettrale maggiore di quella naturale della
transizione sarebbe, in questo caso, indesiderabile, visto che porterebbe ad un aumento
della temperatura Doppler.
Non e' ovvio estendere a tre dimensioni l'effetto di rallentamento e raffreddamento in
regioni dove il campo magnetico e' estremamente elevato. Tuttavia l'interazione con
radiazione Ly-alpha appare di gran lunga la tecnica piu' promettente per la cattura degli
atomi prodotti dalla ricombinazione.
Produrre radiazione a 121 nm tuttavia e' estremamente difficile. Attualmente esiste una
sola sorgente Ly-alpha CW [32]. Si basa su un sistema laser relativamente complicato e
costoso che produce una potenza di circa 20 nW utilizzando tre sorgenti laser distinte e
miscelazione a 4 onde in vapori di mercurio. Gli autori dell'esperimento confidano di
potere aumentare di parecchi ordini di grandezza la potenza attuale. Sorgenti impulsate
sono molto piu' semplici da realizzare dato che l'efficienza dei processi non lineari
aumenta con la potenza di picco. Una sorgente impulsata potrebbe essere utilizzata in
sostituzione di una continua, a patto che la durata dell'impulso sia sufficientemente
maggiore della vita media del livello eccitato. Il repetition rate dovrebbe poi essere
sufficientemente elevato per arrestare gli atomi all'interno della trappola magnetica. Sono
state realizzate sorgenti impulsate con durata dell'impulso di circa 10 ns e repetition rate
di 50 Hz [33]. Mentre la durata dell'impulso e' adeguata, il repetition rate richiesto per
arrestare gli atomi in pochi cm e' attorno a 10 MHz.
Appare evidente che sebbene il laser cooling sia probabilmente l'unico modo che in
futuro potra consentire di trasferire gli atomi di antiidrogeno attualmente disponibili in
una trappola magnetostatica, non esiste attualmente una sorgente di radiazione Lyalpha con le caratteristiche richieste. La generazione di radiazione Ly-alpha CW appare
tuttavia molto promettente e sembrano possibili rapidi e importanti sviluppi.
Proponiamo che il gruppo di Firenze sviluppi una sorgente Lyman-alpha di potenza
adeguata ad effettuare laser cooling di antidrogeno.
E’ importante notare che buona parte dell’investimento finanziario sulla sorgente di luce
Lyman alpha sarebbe gia’ un investimento per l’ esperimento finale infatti l’obiettivo e’
quello di realizzare una sorgente che sia utilizzabile per l’esperimento vero e proprio.
[1]M. Amoretti et. Al., Nature 419, 456 3 ottobre 2002
[2] G. Gabrielse et al., Phys. Rev. Lett. 89, 213401 (2002).
[3] G. Baur et al., Phys. Lett. B 368, 251 (1996)
[4] G. Blanford et. al, Phys. Rev . Lett. 80, 3037 (1998)
[5] M.H. Holzscheiter and M. Charlton, Rep. Prog. Phys. 62 1 (1999)
[6] M. Charlton et. al, Phys. Rep. 241 2 67 (1994)
[7] J. Eades, F.J. Hartmann Rev. Mod. Phys. 71, 373 (1999)
[8] L. S. Brown and G. Gabrielse, Rev. Mod. Phys. 58, 233 (1986).
[9] M. Amoretti et al, accepted by Phys. Rev. Lett.
M. Amoretti et al, accepted bty Phys. of Plasmas
[10] R. C. Davidson, Physics of Nonneutral Plasma (Addison-Wesley Publishing
Company, Redwood City, 1990);
Nonneutral Plasma Physics, (F. Anderegg, L. Schweikhard, C. F.
and Driscoll, eds.), AIP Conf. Proc. 606 (New York: American
Institute of Physics, 2002);
T. M. O'Neil and D. H. E. Dubin, Phys. Plasma 5, 2163 (1998);
http://sdphca.ucsd.edu/
http://ist-socrates.berkeley.edu/fajans
http://www.plasma.caltech.edu/
[11] M. Amoretti et al, to be submitted t NIM
[12] C. Regenfus NIM A 501 65 (2003)
[13] M.Amoretti et al, to be submitted to Phys. Lett. B
[14] M. Amoretti et al, to be accepted by Phys. Rev. Lett.
[15] C. L. Cesar et. al PRL 77 255 (1996)
[16] Huber et. al PRA 59 1844 (1999)
[17] M.M. Nieto, T. Goldman Phys. Rep. 205 221 (1991);
[18]E. Fischbach, C. L. Talmadge “The search for non Newtonian Gravity” Springer
(1999)
[19] PS 200 proposal Los Alamos report LA-UR 86-260
[20]V. Lagomarsino, V. Lia, G. Manuzio,G. Testera Phys. Rev A 50 977 (1994)
[21] Peters A.,Chung K.Y.,Chu S. Nature 400 849 (1999)
Peters A.,Chung K.Y.,Chu S. Metrologia 38 25 (2001)
[22] J. Stuhler, M. Fattori, T. Petelski, and G.M. Tino J. Opt. B: Quantum Semiclass.
Opt., vol. 5, S75 (2003)
[23]http://www.cern.ch/Asacusa
[24] W.H. Wing ,Prog. Quant. El.,8,181 ( 1984)
[25] H. F. Hess et al., Phys. Rev Lett. 59 672 (1987)
[26] C. C. Bradley et al.,Phys. Rev. Lett. 75 1687 (1995)
[27] L. Ricci , V. Vuletic, T. Hansch Appl. Phys. B 59 195 (1994)
[28] D. E. Pritchard Phys. Rev. Lett. 51 1336 (1983)
[29] E. P. Gilson and J. Fajans, Phys. Rev. Lett. 90, 015001 (2003)
[30] J. Fajans, talk at ADFuture Workshop, Munich may 2003
[31] D. H. E. Dubin, Phys. Plasmas 8, 4331 (2001);
A. Mohri et al, Jpn. J. Appl. Phys. 37 (1998) 1553
[32] K.S.E. Eikema, J.Waltz and T.W. Haensch, PRL, 83, 3828 (1999);
K.S.E. Eikema, J.Waltz and T.W. Haensch Phys. Rev. Lett. 86 5679 (2001)
[33] I.D. Setija et al., PRL 70, 2257, (1993)
Codice
Esperimento
Gruppo
ATHENA2−RD
2
NUCLEARE
PREVISIONE DI SPESA
In KEuro
ANNI
Miss.
Miss.
2004
2005
2006
TOTALI
Mod EC./EN. 6
14
15.0
15.0
36
40.0
40.0
75
90.0
90.0
44,0
116,0
255,0
0
0.0
0.0
0
0.0
0.0
Affitti e
Manut.
Appar.
0
0.0
0.0
Mater.
inventar
Costr.
appar.
TOTALE
Compet.
420
275.0
130.0
340
150.0
90.0
885.0
570.0
365.0
825,0
580,0
1820,0
Codice
Esperimento
ATHENA2−RD
Struttura
GE
Gruppo
2
N
1
2
3
4
RICERCATORE
Cognome e Nome
Qualifica
Dipendenti
Incarichi
Affer.
al
gruppo
.
Art.
23
Ruolo
Ricerca Assoc
AMORETTI Marco
CARRARO Carlo
LAGOMARSINO Vittorio
TESTERA Gemma
Ric.
AsRic
Dott.
P.A.
%
N
TECNOLOGI
Cognome e Nome
Qualifica
Incarichi %
Ass.
Ruolo Art. 23
Tecnol.
Dipendenti
50
50
30
30
3
3
2
2
N
Cognome e Nome
Qualifica
Incarichi
Dipendenti
Ruolo Art. 15
Collab.
tecnica
Annotazioni:
mesi−uomo
3.0
Mod EC./EN. 7
%
Assoc.
tecnica
SERVIZI TECNICI
Denominazione
TECNICI
0
0
0
0
Codice
Esperimento
Gruppo
ATHENA2−RD
2
NUCLEARE
Data
completamento
Descrizione
LUGLIO 2004
PROGETTO MAGNETE E CRIOSTATO PER CONFINAMENTO ANTIDROGENO E PLASMI CARICHI (FI−GE)
SETT 2004
DEFINIZIONE COLLABORAZIONE INTERNAZ. E SCRITTURA PROPOSAL PER ESP. AL CERN
SETT 2004
PROGETTO SORGENTE LYMAN ALPHA
PROGETTO E ORDINE FASCIO ATOMICO
(FIRENZE)
DIC 2004
ORDINE MAGNETE PER APPARATO DI TEST (GENOVA)
DIC 2004
SETUP DAQ, APPARATO DA VUOTO, MECCANICA PER APPARATO DI TEST (GENOVA)
Dic 2004
ORDINI LASER PR SORGENTE LYMAN ALPHA (FI)
COSTRUZIONE FASCIO (FI)
STUDIO CONFIGURAZIONI PER TRAPPOLE MAGNETICHE (FI−GE)
Mod EC./EN. 8
NUCLEARE
Codice
Esperimento
Gruppo
BOREX
2
Rapp. Naz.: Gianpaolo Bellini
Gianpaolo Bellini
MI
Fisica dei neutrini solari. Momento magnetico del neutrino. Antineutrini.
Linea di ricerca
Laboratorio ove
L.N.G.S.
Sigla dello
esperimento
assegnata dal
laboratorio
BOREX
Acceleratore usato
Fascio
(sigla e
caratteristiche)
Studio dei neutrini solari da Be−7, B−8 e CNO tramite scattering elastico su elettroni. Studio del momento
magnetico del neutrino con sorgenti. Rivelazione di antineutrini terrestri e da reattori.
Processo fisico
studiato
Apparato
strumentale
utilizzato
Scintillatore liquido
Genova, LNGS, Milano, Pavia, Perugia
all'esperimento
ATTLucent Technologies (Murray Hill, NJ USA), Princeton University (Princeton, NJ USA), Technical
University Munich (Munich,Germany), JINR (Dubna, Russia), Max Planck Institute (Heidelberg,
Germany),College de France (Paris, France), KFKI (Budapest, Hungary), Kurchatov Institute(Moscow,
Russia), IRMM European Joint Research Center (Geel, Belgium), Virginia Polytechnic Institute (Blacksburg,
VA USA), Jagellonian University (Krakow, Poland), Queen' s University (Kingston, Canada)
Istituzioni esterne
5 anni dall'installazione
Durata esperimento
Mod EC. 1
Struttura
GE
Codice
Esperimento
BOREX
Resp. loc.: G. MANUZIO
Gruppo
2
In KEuro
IMPORTI
VOCI
DI
SPESA
Parziali
Totale Compet.
SJ
Essenzialmente viaggi LNGS
SJ
80.0 20.0
100.0 20.0
Contatti con altri gruppi della collaborazione
10.0
Manutenzione scheda elettronica
3.0
Contratto Lahen per riparazione scheda di elettronica digitale
25.0
Trasporti
Consorzio
10.0
0.0
28.0
0.0
1.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
10.0
0.0
0.0
0.0
1.0
Ore CPU
Spazio Disco
Cassette
Altro
Manutenzione DAQ e interna calcolo
3.0
Acquisto orologio GPS (se non reperibile ai LNF)
7.0
Totale
149.0 20.0
Mod EC./EN. 2
A cura della
Comm.ne
Scientifica
Nazionale
Struttura
GE
Codice
Esperimento
BOREX
Gruppo
2
Le previsioni di spesa sono formulate nell'ipotesi che a partire dal 2004 l'esperimento possa ripartire senza
condizionamenti.
Struttura
GE
Codice
Esperimento
BOREX
Gruppo
2
Codice
Esperimento Gruppo
BOREX
2
Rapp. naz.: Gianpaolo Bellini
In KEuro
Struttura
Miss. interno
di cui SJ
PV
PG
MI
GE
LNGS
10,0
15,0
350,0
100,0
15,0
20,0
Miss.
estero.
Materiale
di cons.
di cui SJ
4,0
3,0
50,0
10,0
15,0
TOTALI 490,0 20,0 82,0
Trasp.
e Facch.
di cui SJ
5,0
20,0
96,0
28,0
395,0
di cui SJ
Spese
Calc.
di cui SJ
Affitti e
Manut.
Appar.
di cui SJ
Mater.
inventar.
di cui SJ
Costr.
appar.
di cui SJ
4,0
1,0
5,0
36,5
10,0
10,0
35,0
544,0 84,0 10,0
56,5
35,0
84,0
A
carico
di altri
Enti
TOTALE
Compet.
di cui SJ
19,0
38,0
536,5
149,0
475,0
20,0
84,0
1217,5 104,0
Note:
Mod EC./EN. 4
Codice
Esperimento
Gruppo
BOREX
2
NUCLEARE
Analisi della radiopurezza dello scintillatore con il CTF. Trasporto dello scintillatore dallo stabilimento (280 tonnellate) al Gran Sasso.
Sostituzione fototubi danneggiati. Messa a punto elettronica e DAQ. Presa dati con aria.
Analisi della radiopurezza dello scintillatore con il CTF. Installazione Inner Vessel e riempimento del rivelatore con acqua. Calibrazione
rivelatore. Trasporto del buffer dallo stabilimento al Gran Sasso. Riempimento con scintillatore.
Anno
Missioni Missioni
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
TOTALE
Mod EC. 5
In kEuro
Materiale
Affitti e
Trasp. e Spese
Materiale Costruz.
di
Manut.
TOTALE
Facch. Calcolo
inventar. apparati
consumo
Apparec.
173.0
227.7
250.9
214.8
238.0
223.1
268.5
333.2
290.8
347.0
315.5
67.1
49.0
65.0
51.6
41.3
46.4
66.6
79.5
67.6
48.0
46.5
315.0
286.6
377.0
224.6
367.2
432.7
451.8
634.3
483.0
426.5
390.5
7.2
11.3
6.1
11.8
14.9
17.0
147.1
436.5
17.0
12.5
10.0
2.5
0.0
2.5
2.5
2.5
2.5
4.1
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
2882.5
628.6
4389.2
691.4
16.6
0
63.5
107.4
106.7
167.8
170.4
46.9
117.7
100.2
5.1
68.0
45.5
232.4
55.7
568.1
1556.0
1953.2
2355.0
4581.4
796.5
856.4
60.0
76.5
860.7
737.7
1376.3
2229.1
2787.5
3123.6
5637.2
2380.2
1719.9
962.0
884.5
999.2 13091.2 22698.7
Codice
Esperimento Gruppo
BOREX
2
Rapp. naz.: Gianpaolo Bellini
PREVISIONE DI SPESA
In KEuro
ANNI
Miss.
FINANZIARI interno
2004
2005
2006
2007
2008
2009
TOTALI
Mod EC./EN. 6
490
500.0
500.0
500.0
500.0
500.0
Miss.
estero.
82
50.0
50.0
50.0
50.0
50.0
2990,0 332,0
di cons. Facch. Calc.
544
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
10
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
1044,0
30,0
0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
Affitti e
Manut.
Appar.
0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
Mater.
inventar
Costr.
appar.
TOTALE
Compet.
56.5
50.0
50.0
50.0
50.0
50.0
35
480.0
900.0
480.0
0.0
0.0
1217.5
1184.0
1604.0
1184.0
704.0
704.0
306,5
1895,0
6597,5
Codice
Esperimento
BOREX
Struttura
GE
Gruppo
2
N
1
2
3
4
5
6
7
RICERCATORE
Cognome e Nome
Qualifica
Dipendenti
Incarichi
Affer.
al
. gruppo
%
N
GATTI Flavio
GUARDINCERRI Elena
MANUZIO Daniela
MANUZIO Giulio
PALLAVICINI Marco
Ric.
RAZETO Alessandro
Art.23
TESTERA Gemma
Ric.
P.A.
Dott.
Dott.
P.O.
TECNOLOGI
Cognome e Nome
10 1 MUSICO Paolo
100 2 SALVO Corrado
70
60
50
100
30
2
2
2
2
2
2
2
Qualifica
Incarichi
Ass.
Ruolo Art. 23
Tecnol.
Tecn.
D.T.
Dipendenti
N
TECNICI
Cognome e Nome
Qualifica
Incarichi
Art. 15
Collab.
tecnica
Annotazioni:
SERVIZI TECNICI
Denominazione
mesi−uomo
2.0
Mod EC./EN. 7
%
Assoc.
tecnica
1 BEVILACQUA Adriano CTer.
5
100
2
1.05
Dipendenti
Ruolo
%
80
1
0.8
NUCLEARE
Codice
Esperimento
Gruppo
BOREX
2
Data
completamento
Descrizione
28/02/2004
Conclusione riempimento con acqua di Borexino
01/05/2004
Conclusione calibrazioni con acqua
01/06/2004
Inizio trasporto del buffer dalla Sardegna al Gran Sasso e inizio riempimento con scintillatore
01/12/2004
Conclusione riempimento con scintillatore
28/02/2004
End of Borexino waterfilling.
01/05/2004
Water calibration completed.
01/06/2004
Beginning of buffer transportation from Sardinia to LNGS. Scintillator filling of detector begins.
01/12/2004
Borexino filled with scintillator.
Mod EC./EN. 8
Codice
Esperimento
Gruppo
MAGO
2
Rapp. Naz.: Gianluca Gemme
Gianluca
Gemme
GE
NUCLEARE
PROGRAMMA DI RICERCA
A) INFORMAZIONI GENERALI
Ricerca di onde gravitazionali
Linea di ricerca
Laboratorio ove
INFN Genova
Sigla dello
esperimento assegnata dal
laboratorio
Acceleratore usato
Fascio
(sigla e caratteristiche)
Processo fisico
studiato
Apparato strumentale
utilizzato
all'esperimento
Onde gravitazionali ad alta frequenza (4−10 kHz)
Cavità superconduttrici a radiofrequenza
Genova, Napoli (Gr.Coll. Salerno)
Istituzioni esterne all'Ente
partecipante
Quattro anni (2004−2007)
Durata esperimento
B) SCALA DEI TEMPI : piano di svolgimento
PERIODO
ATTIVITA' PREVISTA
a) Studio del refrigeratore ad elio superfluido sottoraffreddato; test di componenti critici
2004
b) Studio del sistema di sospensioni meccaniche; costruzione di prototipi
c) Sviluppo test−bed e test di LNA (GaAs e InP)
d) Modelli di sorgenti e analisi dati
a) Progetto esecutivo del refrigeratore
2005
b) Test di prototipi e progetto esecutivo delle sospensioni
c) Test componenti elettronici passivi a bassa temperatura
d) Modelli di sorgenti e analisi dati
2006
b) Completamento test elettronica
c) Modelli di sorgenti ed analisi dati
a) Costruzione criostato
2007
Mod EN. 1
Integrazione del sistema
Struttura
GE
Codice
Esperimento
MAGO
Resp. loc.: Gianluca Gemme
Gruppo
2
In KEuro
IMPORTI
VOCI
DI
SPESA
Parziali
Totale Compet.
SJ
Missioni Salerno, Benevento, Pisa
SJ
20.0
20.0 0.0
Missioni CERN
15.0
Missioni Berkeley, Chalmers University
8.0
Conferenza GWDAW 2004 (Annecy, Francia)
8.0
Conferenza GWADW 2004 (Aspen, USA)
8.0
Ripristino elio liquido
20.0
Ripristino azoto liquido
5.0
39.0 0.0
25.0 0.0
Consorzio
Ore CPU
Spazio Disco
Cassette
0.0
0.0
0.0
0.0
7.5
0.0
Altro
Contratto manutenzione HFSS
5.0
Licenza annuale Maple e Matlab
1.2
Licenza annuale Ansys (cotributo)
1.0
Licenza FastFlo (30%)
0.3
Attenuatori variabili in guida d'onda per test cavità 2 GHz
25.0
Temperature controller
5.5
Temperature monitor
2.2
Banco da vuoto
4.0
Liquid helium level monitor
1.8
Low noise InP amlifier
13.0
Componenti passivi a microonde
8.0
Temperature sensors
1.5
Helium level sensor
0.5
Materiai per prototipi e test−bed elettronica
8.0
Lavorazioni meccaniche
10.0
Totale
51.5 0.0
28.0 0.0
171.0 0.0
Mod EC./EN. 2
A cura della
Comm.ne
Scientifica
Nazionale
Struttura
GE
Codice
Esperimento
MAGO
Gruppo
2
Le richieste di materiale inventariabile e costruzione apparati sono per lo più legate alla necessità di realizare un test−bed
per la caratterizzazione di componenti elettronici a basso rumore (attivi e passivi). Il sistema consiste di 2 piattaforme a
temperatura variabile, una per il raffreddamento dei componenti sotto test (LNA, attenuatori, etc) e l'altra per la resistenza
sorgente. La prima piattaforma dovrà essere di ampia dimensione ed in grado di stabilizzare la temperatura di più
componenti. Le temperature a cui caratterizzare gli amplificatori sono: 1.8 K, 4.2 K, 15 K, 77 K, con valori analoghi per la
sorgente di rumore.
Per il sistema è richiesta:
una termometria con alcuni punti di misura, riscaldatori e termostatazione;
controller di temperatura;
un dewar a pozzo con bocca da 20 cm circa;
sensore di livello dell'elio;
pompa meccanica roots;
semplice sistema da vuoto.
Per il dewar a pozzo e la pompa meccanica roots si utilizzeranno attrezzature già disponibili in laboratorio.
Gli amplificatori LNA per queste frequenze e temperature sono basati su GaAs, InP. Un amplificatore AFS3 (GaAS) della
Miteq è già disponibile e sarà il primo ad essere testato. Si richiede l'acquisto di un amplificatore InP (Chalmers
University).
I componenti passivi a microonde e gli attenuatori variabili in guida d'onda sono necessari per i test delle cavità
superconduttrici.
Il ripristino dei liquidi criogenici è legato alle perdite del sistema di recupero e liquefazione (complessivamente circa il
20%).
Struttura
GE
Codice
Esperimento
MAGO
Gruppo
2
Codice
Esperimento
Gruppo
MAGO
2
NUCLEARE
In KEuro
Struttura
Miss. interno
Miss. estero.
di cui SJ
20,0
15,0
GE
SA
TOTALI
di cui SJ
di cui SJ
Trasp.
e Facch.
di cui SJ
Spese
Calc.
di cui SJ
Affitti e
Manut.
Appar.
Mater.
inventar.
di cui SJ
di cui SJ
Costr. appar.
7,5
10,0
51,5
20,0
28,0
35,0 6,0 59,0 5,0 25,0
17,5
71,5
28,0
5,0
TOTALE
Compet.
di cui SJ
25,0
6,0
39,0
20,0
Materiale
di cons.
A
carico
di altri
Enti
di cui SJ
171,0
65,0
0,0
11,0 0,0
236,0 11,0
Note:
Mod EC./EN. 4
Nuovo esperimento Gruppo
MAGO
2
PROPOSTA DI NUOVO ESPERIMENTO
In a series of papers, since 1978, it has been studied how the energy transfer induced by the gravitational
wave between two levels of an electromagnetic resonator, whose frequencies f1 and f2 are both much larger
than the characteristic angular frequency F of the g.w., could be used to detect gravitational waves. The
energy transfer is maximum when the resonance condition f2−f1 = F is satisfied. This is an example of a
frequency converter, i.e. a nonlinear device in which energy is transferred from a reference frequency to a
different frequency by an external pump signal.
In the scheme suggested by Bernard et al. the two levels are obtained by coupling two identical high
frequency cavities. Each resonant mode of the individual cavity is then split in two modes of the coupled
resonator with different spatial field distribution. In the following we shall call them the symmetric and the
antisymmetric mode. The frequency difference of the two modes (the detection frequency) is determined by
the coupling, and can be tuned by a careful resonator design. An important feature of this device is that the
detection frequency does not depend on its mechanical properties (dimensions, weight and mechanical modes
resonant frequencies). Of course, the detector can be tuned so that the mode splitting equals the frequency of
a mechanical resonant mode. The sensitivity in this and other experimental situations will be discussed in the
following. Since the detector sensitivity is proportional to the electromagnetic quality factor, Q, of the
resonator, superconducting cavities should be used for maximum sensitivity.
An RDeffort, funded by the 5th Scientific Committee of INFN, started in 1998 and will be completed at the
end of 2003 (PACO, 1998−2000; PACO−2, 2001−2003). Its main objective is the development of a tunable
detector of small harmonic displacements based on two coupled superconducting cavities. Several cavity
prototypes (both in copper and in niobium) were built and tested, and finally a design based on two spherical
cells was chosen and realized. The detection frequency, i.e. the frequency difference between the symmetric
and antisymmetric modes, was chosen to be: f2−f1 ~ 10 kHz (the frequency of the modes being f1,f2 ~ 2
GHz. An electromagnetic quality factor Q > 10^(10) was measured on a prototype with fixed coupling.
The tuning system was also carefully studied. The coupling strength, and thus the tuning range, is determined
by the diameter of the coupling tube and by the distance between the two sperical cells. A central elliptical
cell, which can easily be streched and squeezed, was found to provide a tuning range of several kHz (4−20
kHz in the final design). A prototype with the central elliptical cell was built and is now being tested. A
second tunable cavity (two spherical cells and the central elliptical cell) is being commissioned, and will be
ready by the middle of 2004.
The system was also mechanically characterized, and the mechanical resonant modes in the frequency range
of interest were identified. In particular the quadrupolar mode of the sphere was found to be at 4 kHz, in good
agreement with finite elements calculations.
The detection electronics was designed. Its main task is to provide the rejection of the symmetric mode
component at the detection frequency. A rejection better than 150 dB was obtained in the final system.
Starting from the results obtained in the last six years, we are now planning to design and realize an
experiment for the detection of gravitational waves in the 4−10 kHz frequency range. Our main task is the
design and construction of the refrigerator and of the cryostat (including the suspension system), which
houses the coupled cavities. The refrigerator must provide the cryogenic power needed to keep the
superconductiong cavities at T ~ 1.8 K (approx. 10 Watts) without introducing an excess noise from the
external environment. A design based on the use of subcooled superfluid helium is being invesigated.
The expected time−scale is four years (2004−2007).
Mod EN5
MAGO
Microwave Apparatus for Gravitational Waves Observation
Research Proposal to INFN
(July 2003)
R. Ballantini a , Ph. Bernard b , S. Calatroni b , E. Chiaveri b ,
A. Chincarini a , R.P. Croce c , S. Cuneo a , V. Galdi c ,
G. Gemme a,1 , R. Losito b , R. Parodi a , E. Picasso d ,
V. Pierro c , I.M. Pinto c , A. Podestà a , R. Vaccarone a
a
INFN and Università degli Studi di Genova, Genova, Italy
b
CERN, Geneva, Switzerland
c
INFN, Napoli, and Università degli Studi del Sannio, Benevento, Italy
d
INFN and Scuola Normale Superiore, Pisa, Italy
1 Spokeperson
1
CONTENTS
2
Contents
1 Experiment overview
3
2 Physics motivation
5
3 Detector layout
3.1 Electromagnetic design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Mechanical design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
8
10
4 Suspension system
11
5 Cryogenics
13
6 Detection electronics
15
6.1 The rf control loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
6.2 Sensitivity enhancement using the mode symmetry . . . . . . . . 17
6.3 Detection of the converted signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
7 Response of the detector
20
7.1 Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
7.2 Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
7.3 Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
8 Data analysis
27
9 Collaboration, cost and schedule
28
9.1 Collaboration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
9.2 Cost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
9.3 Schedule and subdivision of tasks . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1
1
EXPERIMENT OVERVIEW
3
Experiment overview
In the last decades, several laboratories all around the world have promoted
an intense effort devoted to the direct detection of gravitational waves. The
detectors, both those in operation and those being developed, belong to two
conceptually different families, massive elastic solids (cylinders or spheres) [1]
and Michelson interferometers [2]. Both types of detectors are based on the
mechanical coupling between the gravitational wave and a test mass, and in
both types the electromagnetic field is used as motion transducer.
In a series of papers, since 1978, it has been studied how the energy transfer induced by the gravitational wave between two levels of an electromagnetic
resonator, whose frequencies ω1 and ω2 are both much larger than the characteristic angular frequency Ω of the g.w., could be used to detect gravitational
waves [3, 4]. The energy transfer is maximum when the resonance condition
|ω2 − ω1 | = Ω is satisfied. This is an example of a frequency converter, i.e. a
nonlinear device in which energy is transferred from a reference frequency to a
different frequency by an external pump signal.
In the scheme suggested by Bernard et al. the two levels are obtained by
coupling two identical high frequency cavities [4]. Each resonant mode of the
individual cavity is then split in two modes of the coupled resonator with different spatial field distribution. In the following we shall call them the symmetric
and the antisymmetric mode. The frequency difference of the two modes (the
detection frequency) is determined by the coupling, and can be tuned by a careful resonator design. An important feature of this device is that the detection
frequency does not depend on its mechanical properties (dimensions, weight
and mechanical modes resonant frequencies), though, of course, the detector
can be tuned so that the mode splitting equals the frequency of a mechanical
resonant mode. The sensitivity in this and other experimental situations will
be discussed in the following. Since the detector sensitivity is proportional to
the electromagnetic quality factor, Q, of the resonator, superconducting cavities
should be used for maximum sensitivity.
An R&D effort, funded by the 5th Scientific Committee of INFN, started in
1998 and will be completed at the end of 2003 (PACO, 1998–2000; PACO–2,
2001–2003) [5, 6]. Its main objective is the development of a tunable detector of
small harmonic displacements based on two coupled superconducting cavities.
Several cavity prototypes (both in copper and in niobium) were built and tested,
and finally a design based on two spherical cells was chosen and realized (Fig. 1).
The detection frequency, i.e. the frequency difference between the symmetric
and antisymmetric modes, was chosen to be: ω2 − ω1 ≈ 10 kHz (the frequency
of the modes being ω1,2 ≈ 2 GHz). An electromagnetic quality factor Q > 1010
was measured on a prototype with fixed coupling (Fig. 2).
The tuning system was also carefully studied. The coupling strength, and
thus the tuning range, is determined by the diameter of the coupling tube and
by the distance between the two sperical cells. A central elliptical cell, which can
easily be streched and squeezed, was found to provide a tuning range of several
kHz (4–20 kHz in the final design). A prototype with the central elliptical
cell was built and is now being tested (Fig. 3). A second tunable cavity (two
spherical cells and the central elliptical cell) is being commissioned, and will be
ready by the middle of 2004.
The system was also mechanically characterized, and the mechanical reso-
1
EXPERIMENT OVERVIEW
4
Figure 1: Artistic view of the coupled spherical cavities with the central tuning
cell
Figure 2: Niobium spherical cavities (fixed coupling)
nant modes in the frequency range of interest were identified. In particular the
quadrupolar mode of the sphere was found to be at 4 kHz, in good agreement
with finite elements calculations.
The detection electronics was designed. Its main task is to provide the rejection of the symmetric mode component at the detection frequency. A rejection
better than 150 dB was obtained in the final system.
Starting from the results obtained in the last six years, we are now planning
to design and realize an experiment for the detection of gravitational waves in the
4–10 kHz frequency range. Our main task is the design and construction of the
refrigerator and of the cryostat (including the suspension system), which houses
the coupled cavities. The refrigerator must provide the cryogenic power needed
to keep the superconductiong cavities at T ≈ 1.8 K (approx. 10 Watts) without
introducing an excess noise from the external environment. A design based
on the use of subcooled superfluid helium is being invesigated. The expected
time-scale is four years (2004–2007).
In the following a detailed description of the various issues aforementioned
will be given. Expected system sensitivity will also be discussed.
2
PHYSICS MOTIVATION
5
Figure 3: Niobium spherical cavities (variable coupling)
2
Physics motivation
The spectrum of gravitational waves of cosmic origin targeted by currently operating or planned detectors spans roughly 2 from 10−4 to 104 Hz.
The f ≤ 10−1 Hz region of the GW spectrum, including galactic binaries [7],
(super)massive BH binary inspirals and mergers [8], compact object inspirals
and captures by massive BHs [9], will be thoroughly explored by LISA [10],
which might be hopefully flown by year 2015. Ground based interferometers
and acoustic detectors (bars and spheres) will likewise co–operate in exploring
the f ≥ 101 Hz region of the spectrum, including compact binary inspirals and
mergers [11], supernovae and newborn black-hole ringings [12], fast-spinning
non-axisymmetric neutron stars [13], and stochastic GW background [14].
The whole spectral range from 10−4 − 104 Hz, however, is far from being
covered with uniform sensitivity, as seen e.g. from Fig. 4, where the fiducial
sensitivity curves of LISA and LIGO–II are shown side by side. Plans are
being made for small–scale LISA–like space experiments (e.g., DECIGO, [15])
aimed at covering the frequency gap 10−1 −101 Hz between LISA and terrestrial
detectors.
Several cryogenic/ultracryogenic acoustic (bar) detectors are also operational, including ALLEGRO [16], AURIGA [17], EXPLORER [18], NAUTILUS
[19], and NIOBE [20]. They are tuned at ∼ 103 Hz, with bandwidths of a few
tens of Hz, and minimal noise PSDs of the order of 10−21 Hz−1/2 .
Intrinsic factors exist which limit the performance of both IFOs and acoustic
>
detectors in the upper frequency decade (f ∼ 103 Hz) of the spectrum.
The high frequency performance of laser interferometers is limited by the
∝ f 2 raise of the laser shot-noise floor. While it is possible to operate IFOs
in a resonant (dual) light-recycled mode, for narrow-band increased-sensitivity
operation (see Fig. 5), the pitch frequency should be kept below the suspension
2 We leave out deliberately the ELF (10−18 − 10−15 Hz) radiation resulting from inflation–
enhanced primordial gravitational fluctuations, expected to show up in the polarization
anisotropy of the cosmic microwave background (M. Kamionkowski, A. Jaffe, Int, J. Mod.
Phys. A16, 116, 2001), the VLF (10−7 − 10−9 Hz) radiation possibly resulting from extremely
massive black-hole systems and early–universe processes (A.N. Lommen and D.C. Backer, Astrophys. J., 562, 297, 2001, astro-ph/0107470), exotic electromagnetic–to–gravitational wave
conversion mechanisms, which might originate gravitational radiation in the VHF to SHF
bands (Fang-Yu Li and Meng-Xi Tang, Int. J. Mod. Phys D11, 1049, 2002) and the relic
gravitational radiation (B. Allen and R. Brustein, Phys. Rev. D55, 3260, 1997).
2
PHYSICS MOTIVATION
6
Figure 4: LISA–LIGO comparison
violin-modes [21], typically clustering near and above ∼ 5 · 102 Hz.
Increasing the resonant frequency of acoustic detectors (bars, spheres and
TIGAs), on the other hand, requires decreasing their mass M . The high frequency performance of bars and spheres is accordingly limited by the ∝ M −1/2
dependance of the acoustic detectors’ noise PSD.
The next generation of resonant detectors will be probably spheres or TIGAs
(Truncated Icosohedral Gravitational Antennas, [22]) 3 The MINIGRAIL [23]
spherical prototype4 experiment under construction at Leiden University (NL),
as well as its twins planned by the Rome group [24] and at São Paulo, Brazil [25],
is a relatively small (CuAl (6%) alloy, ∅ 65cm, 1.15ton) spherical ultracryogenic
(20mK) detector with a 230Hz bandwidth centered at 3250Hz, and a (quantum
limited) strain sensitivity of h ∼ 4 · 10−21 . Spherical (or TIGA) detector might
achieve comparable sensitivities up to f ∼ 4 · 103 Hz.
Summing up, the GW spectrum below f ∼ 103 Hz might be adequately
covered by ground-based and space-borne interferometers. The range between
103 Hz and ∼ 4 · 103 Hz could be sparsely covered by new-generation acoustic
>
detectors. The high frequency part (f ∼ 4 · 103 Hz) of the gravitational wave
spectrum of cosmic origin is as yet completely uncovered. Within this band,
3 Spheres and TIGAs share the nice feature of being inherently omnidirectional, and should
allow to reconstruct the direction of arrival and polarization state of any detected gravitational
wave, by suitably combining the outputs of transducers gauging the amplitudes of the five
degenerate quadrupole sphere modes (C. Zhou and P.F. Michelson, Phys. Rev. D51, 2517,
1995).
4 A cryogenic solid-CuAl sphere resonating at ∼ 103 Hz would be ∼ 4 m ∅ and weigh in
excess of 100 tons. The related technological challenges could be alleviated by resorting to
hollow geometries (J.A. Lobo, Class. Quantum Grav., 19, 2029, 2002).
2
PHYSICS MOTIVATION
7
Figure 5: The narrowband response of GEO600. The picture shows the spectral
densities of the amplitudes of apparent gravitational waves which give the same
detector output as the various noise sources. (Black: overall noise; green: shot
noise; blue: seismic noise; yellow: thermal noise; red: standard quantum limit.
Courtesy of GEO600)
GW sources might well exist and be observed 5 . Indeed, the ultimate goal of
gravitational-wave astronomy is the discovery of new physics. In this spirit, the
very existence of gravitational wave sources of as yet unknown kind could not
be excluded a-priori.
The above brings strong conceptual and practical motivations for the MAGO
proposal. The MAGO design is easily scalable, and may be constructed to work
at any chosen frequency in the range 103 − 104 Hz, with uniform (narrowband)
performance. On the other hand, the MAGO instrument appears to be comparatively cheap and lightweigth, thus allowing to build as many detectors as
>
needed to ensure adequate covering of the high frequency (f ∼ 4 · 103 Hz) GW
spectrum. In view of their limited cost, MAGOs might also be nice candidates
for many–detector networks, to achieve very low false alarm probabilities in coincidence operation. In addition MAGO–like detectors operating at f ∼ 103 Hz
might hopefully provide coincident observations with both acoustic detectors
and IFOs, based on a different working principle.
5 A well known back-of-an envelope estimate (motion at the speed of light along bodyhorizon circumference) gives the following upper limit for the spectral content of gravita<
tional waves originated in a process involving an accelerated mass ∼ M : fsup ∼
104 (M /M ) [Hz] .
c3
4πGM
∼
3
DETECTOR LAYOUT
8
Before all this might come into reality, it will be necessary to build and
operate one or more MAGO prototypes so that some basic issues might be
efficiently addressed and solved, viz.:
• efficient decoupling from platform → suspensions design;
• efficient and quiet cooling to 1.8K → cryostat design;
• efficient readout → microwave feeding and tapping networks, and low noise
amplifier design.
In parallel, a start–to–end simulation codes should be implemented, in order
to tune all design parameters for best operation. In particular, criteria for
obtaining the best tradeoff between detector bandwidth and noise levels should
be investigated, with specific reference to selected classes of sought signals.
The present proposal is essentially focused on the above issues.
3
3.1
Detector layout
Electromagnetic design
In order to build an efficient detector, a suitable cavity shape has to be chosen. According to some general considerations, a detector based on two coupled
spherical cavites looks very promising (Fig. 1) [26]. The choice of the spherical
geometry is based on several factors. From the point of view of the electromagnetic design the spherical cell has the highest geometric factor G, thus it
has the highest electromagnetic quality factor Q, for a given surface resistance
Rs (Q = G/Rs ). For the TE011 mode of a sphere, the geometric factor has
a value G ≈ 850 Ω, while for standard elliptical radio-frequency cavities used
in particle accelerators, the TM010 mode has a value G ≈ 250 Ω. Looking at
the best reported values of surface resistance of superconducting accelerating
cavities, which typically are in the 10−8 Ω range, we can extrapolate that the
electromagnetic quality factor of the TE011 mode of a spherical superconducting
cavity can be Q ≈ 1010 − 1011 .
In the first generation of detectors, dedicated to the development of the
experimental technique, the internal radius of the spherical cavity will be r ≈
100 mm, corresponding to a frequency of the TE011 mode ω ≈ 2 GHz. The
overall system mass and length will be M ≈ 5 kg (with a wall thickness w ≈
2 mm) and L ≈ 0.5 m. The choice of the wall thickness is made considering both
practical and design constraints. On one hand, the wall thickness should be kept
small enough to allow an easy fabrication while maintaining sufficient stiffness to
withstand the external pressure once the cavity is evacuated. Furthermore, wall
thickness was chosen to optimize the cavity cooling process, and to guarantee
optimum stability against point–like thermal dissipation due to possible defects
present on the cavity inner surface. On the other hand, wall thickness can be
used to design a particular mechanical resonant frequency and it is obviously
related to the mass of the detector, which plays an important role in the signal
to noise ratio.
Since this type of detector is ideally suited to explore the high frequency
region of the g.w. spectrum, we plan to build a tunable cavity with 4 kHz≤ ω2 −
ω1 ≤ 10 kHz, which is outside the spectral region covered by the resonant and
3
DETECTOR LAYOUT
9
interferometric detectors, both existing and planned, and is still in a frequency
region where interesting dynamical mechanisms producing g.w. emission are
predicted [27, 28, 29].
The interaction between the g.w. and the detector is characterized by a
transfer of energy and angular momentum. Since the helicity of the g.w. (the
angular momentum along the direction of propagation) is 2, the g.w. can induce
a transition between the two levels provided their angular momenta differ by 2;
this can be achieved by putting the two cavities at right angle or by a suitable
polarization of the electromagnetic field inside the resonator. The spherical
cells can be easily deformed in order to induce the field polarization suitable
for g.w. detection. The optimal field spatial distribution has the field axes in
the two cavities which are orthogonal to each other (Fig. 6). Different spatial
distributions of the e.m. field (e.g. with the field axes along the resonators’
axes) have a smaller effect or no effect at all.
Figure 6: Electric field magnitude of the TE011 mode. Note the alignment of
the field axis
A tuning cell is inserted in the coupling tube between the two cavities, allowing to tune the coupling strength (i.e. the detection frequency) around the
design value. The dependence of the detection frequency on the distance between the two coupled cells is shown in Fig. 7, while its dependence on the
diameter of the tubes is shown in Fig. 8.
One detector based on two spherical niobium cavities (with fixed coupling)
has recently been built and tested at CERN (Fig. 2). A second detector with
variable coupling has also been built and is now being tested (Fig. 3).
The first test on the cavity in Fig. 2, showed a quality factor Q ≥ 1010 (see
Fig. 9). This corresponds to a surface resistance Rs ≈ 50 nΩ, a factor of ten
higher than the best values reported for superconducting accelerating cavities.
The obtained result is very satisfactory. In fact, the whole fabrication procedure
(including surface treatments) is optimized for the elliptical cavity geometry
used for high energy particle acceleration. Some development is still needed
to tailor the technique to the spherical shape of our resonator and to obtain a
surface quality comparable to that routinely obtained on elliptical cavities that
would lead to a quality factor Q ≈ 1011 .
DETECTOR LAYOUT
Frequency separation [Hz]
3
10
5
10
4
10
1000
30
35
40
45
50
55
Cell distance [mm]
Figure 7: Detection frequency vs. coupled cells distance
3.2
Mechanical design
From the mechanical point of view it is well known that a spherical shell has
the highest interaction cross-section with a g.w. and that only the quadrupolar
mechanical modes of the sphere do interact with a gravitational wave [30]. The
mechanical design is highly simplified if a hollow spherical geometry is used.
In this case the deformation of the sphere is given by the superposition of just
one or two normal modes of vibration and thus can be easily modeled. In
fact, the proposed detector acts essentially as an electro–mechanical transducer;
the gravitational perturbation interacts with the mechanical structure of the
resonator, deforming it. The e.m. field stored inside the resonator is affected
by the time–varying boundary conditions and a small quantity of energy is
transferred from an initially excited e.m. mode to the initially empty one. We
emphasize that our detector is sensitive to the polarization of the incoming
gravitational signal. Once the e.m. axis has been chosen inside the resonator, a
g.w with polarization axes along the direction of the field, will drive the energy
transfer between the two modes of the cavity with maximum efficiency. With
standard choices for the axes and polar coordinates, the pattern function of the
detector is given by F× = − cos(θ) sin(2φ), and is equal to the pattern function
of one mechanical mode of a spherical resonator.
SUSPENSION SYSTEM
Frequency separation [Hz]
4
10
5
10
4
11
1000
22
24
26
28
30
32
Diameter [mm]
Figure 8: Detection frequency vs. coupling tubes diameter
4
Suspension system
Like a resonant bar, the whole detector must be thoroughly insulated from the
environment and the mechanical design of the insulation is therefore strongly
bonded with the cryogenic design. In particular, the insulation for the direct
LHe supply to the cavity (see section 5) may prove to be a formidable task. The
mechanical insulation foreseen for this detector may be inspired by the already
existing resonant bars suspension systems, although some major differences exist.
Since one of the feature of this detector is the tunability, the mechanical
design should provide adequate insulation in the frequency range 4–20 KHz and
a very rough estimation suggests a minimum value of 250 dB of attenuation in
the desired band (by comparison, Al bars suspension are estimated to provide
≈ 300 dB of insulation). A sketch of the suspension system is shown in fig. 10.
4
SUSPENSION SYSTEM
12
Quality Factor (x 10^9)
100
10
1
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
Stored Energy [Joule]
Figure 9: Quality factor vs. stored energy for the fixed–coupling cavity of Fig.
2
The room temperature filter bank is attached to the outer cryostat hull and
will provide a first decoupling to the environment. There follows a cryogenic
box, a facility which will host some critical low-temperature electronic components and the source for the superfluid LHe, and finally the cryogenic filter
bank, which should provide the required insulation. This second stage filter is
connected to the innermost cryostat, which is a superfluid LHe container hosting the detector and its tuning system. The non trivial task of filtering out
environmental acoustical noise on a wide frequency band can be more easily
accomplished by optimizing the two filter banks on separate frequency ranges,
for example, the first stage can be optimized for low frequencies. The effectiveness of the cold filter (second stage) can be weakened by the superfluid LHe
feedthrough, which runs from the cryogenic box to the MAGO cavity cryostat.
Although the superfluid LHe can be conveyed by means of a suitable capillary
tube, acoustic vibrations in LHe, triggered in cryo-box for instance, require a
deeper understanding and maybe a dedicated damping system. The mechanical
insulation design is made more complex by the MAGO cavity plus the superfluid cryostat weight. Since their weight is of the order of some tens of kilos, it
is comparable to the suspensions weight and therefore, the load on uppermost
suspension element can be considerably different from the lowermost one. All
these problems will be addressed in the following years, where a comprehensive
5
CRYOGENICS
13
Figure 10: Sketch of the suspension system
cryogenic and mechanical design will constitute the main effort.
5
Cryogenics
Assuming the conservative value of 1 W/m2 for the super–insulation radiation
losses, the radiating heat load is Prad ≈ 4 W. Adding to this figure a couple of
watts to account for the conduction losses in the cavity suspension (tie–rods),
we obtain the value of Ptot ≈ 6 W as an upper limit. These steady state losses
have to be compared with the RF cryogenic losses of our detector.
Assuming, in operation, a peak surface magnetic field Hsurf = 0.1 T (half of
the critical field of niobium) the stored energy in the cavity will be U ≈ 30 J. We
remark that Hsurf = 0.1 T corresponds (in an accelerating cavity) to 25 MV/m
of accelerating field, a value routinely achieved in the cavities developed for the
5
CRYOGENICS
14
Tesla project. Given the geometric factor of our cavity, G = 835 Ω, and assuming
a residual surface resistance of 5 nΩ (the surface resistance routinely obtained
in the LEP–II cavities at 1.8 K), we can foresee a quality factor Q ≈ 1011 ,
corresponding to a dissipation of 4 W in the helium bath (@ Hsurf = 0.1 T).
The planned operating temperature of our system is 1.8 K to fully exploit
the advantages of the RF superconductivity. At the chosen frequency of 2 GHz
the surface resistance at 1.8 K is well saturated at the residual value, avoiding
the change of surface resistance produced by the heating of the surface. The use
of superfluid helium as refrigerant guarantees a very good thermal dissipation
for the cavity, with an even temperature distribution along the cavity surface.
To further improve the heat exchange and reduce the effect of the helium
boil–off we propose a scheme of refrigeration similar to the one foreseen for the
LHC magnets and already used since the eighties for the refrigeration of high
field magnets (e.g. TORE–II supra). The flow chart of the refrigerator is shown
in figure 11.
4.2 K
saturated
LHeI bath
Low thermal conductivity
pressure connection
JT Refill
Valve
1.8K 1bar
subcooled
LHeII
1.7K saturated
LheII (20mbar)
Figure 11: Flow chart of the subcooled superfluid helium refrigerator
This refrigeration scheme, using subcooled superfluid helium, at atmospheric
pressure and 1.7–1.8 K, avoids all the problems related to the bubbles in the
refrigerating bath, improves the Kapitza resistance at the helium–cavity wall
interface and increases by 30% the peak transfer value to the helium bath. This
refrigeration scheme will be the best solution also from the point of view of
the mechanical noise induced on the detector by the LHe bath. The subcooled
operation at 1.8 K and atmospheric pressure (compared with saturated helium
at 1.8 K and 20 mbar), will eliminate the possibility of the bubble gas production. This effect of an abrupt reduction of the bath induced mechanical noise
below the helium λ–point was already experienced on Weber type gravitational
detectors [31].
To form a bubble of a certain size in subcooled helium we need not only to
transfer to the helium bath the amount of heat corresponding to the heat of va-
6
DETECTION ELECTRONICS
15
porization, but also the enthalpy needed to reach the normal boiling point of the
gas at 4.2 K. Furthermore the Claudet–type refrigerator reduces to a minimum
the refrigerator–bath interaction minimizing the mechanical noise coming from
the pumps and from the saturated HeI bath. The sub–atmospheric HeII bath
cools the main bath only by conduction via the heat exchanger HT, the refill of
this bath is done trough the JT needle valve working on the liquid helium flow.
The hydraulic impedance of this needle is quite high and damps any pressure
fluctuation due to the pumping system. The 4.2 K bath is in hydraulic contact
with the 1.8 K sub–cooled bath via the high impedance duct to reduce the heat
input to the superfluid helium and allows to reduce the bath temperature well
below the λ–point of the helium (2.19 K). To obtain this result we need a quite
long and narrow hydraulic channel with a very high thermal impedance, but
also the hydraulic impedance of the channel is high, decoupling the superfluid
bath from the saturated (4.2 K) or nearly superfluid bath. In this way pressure
fluctuations due to the He bath refilling or to turbulences, produced by thermo–
acoustic oscillations of the saturated bath, will have a negligible effect on the
superfluid bath.
Coming to the conclusions the proposed refrigeration scheme will greatly
help in reducing the sensitivity of the proposed detector to the acoustic noise
produced by the fluctuation of the helium bath wile giving us the more comfortable situation by the point of view of the RF performances.
6
Detection electronics
The three main functions of rf control and measurement system of the experiment are:
1. The first task of the system is to lock the rf frequency of the master oscillator to the resonant frequency of the symmetric mode of the cavity
and to keep constant the energy stored in the mode. The frequency lock
of the master oscillator to the cavity mode is necessary to fill in energy
in the fundamental mode of the cavity. The reduction of fluctuations of
the stored energy to less than 100 ppm greatly reduces the possibility of
ponderomotive effects due to the radiation pressure of the electromagnetic
field on the cavity walls and helps to minimize the contribution of the mechanical perturbations of the resonator to the output noise. The frequency
lock allows also to design a detection scheme insensitive to fluctuations of
the resonant frequency of the two cavities forming our detector.
2. The second task is to increase the detector’s sensitivity by driving the
coupled resonators purely in the symmetric mode and receiving only the
rf power up–converted to the antisymmetric mode by the perturbation
of the cavity walls. This goal can be obtained by rejecting the signal at
the symmetric mode frequency taking advantage of the symmetries in the
field distribution of the two modes. Our system, despite of some additional
complexity, guarantees the following improvements over the one used in
previous experiments:
• a better rejection of the phase noise of the master oscillator obtained
using the sharp resonance (Q = 1010 ) of the resonator as a filter;
6
16
• a better insulation of the drive and detector ports obtained by using
separate drive and detection arms of the rf system;
• the possibility of an independent adjustment of the phase lag in the
two arms giving a better magic–tee insulation at the operating frequencies;
• a greater reliability for the frequency amplitude loop using the transmitted power, instead of the reflected, coming from the cavity.
3. The third task is the detection of the up–converted signal achieving the
detector sensitivity limit set by the contribution of the noise sources [32].
Slow pressure fluctuations on the cooling bath, hydrostatic pressure variations due to the changes in the helium level, pressure radiation, and so on,
will change in the same way the resonant frequency of both modes. Using
a fraction of the main oscillator power as local oscillator for the detection
mixer, the detection system becomes insensitive to frequency drifts of both
modes, allowing for a narrow band detection of the up–converted signal
produced by the cavity wall modulation.
6.1
The rf control loop
The RF signal generated by the master oscillator (HP4422B) is fed into the
cavity through a TWT amplifier giving a saturated output of 20 Watt in the
frequency range 2–4 GHz. The energy stored in the cavity is adjusted at the
operating level by controlling the output of the master oscillator via the built–in
variable attenuator.
The output signal is divided by a 3 dB power splitter. The A output of the
splitter is sent to the TWT amplifier, the B output is sent, through the phase
shifter (PS), to the local oscillator (LO) input of a rf mixer acting as a phase
detector (PD). The output of the rf power amplifier is fed to the resonant cavity
through a
double directional coupler, and a 180o hybrid ring acting as a magic–tee.
The rf power enters the magic–tee via the sum arm, Σ, and is split in two
signals of same amplitude and zero relative phase, coming out the tee co–linear
arms 1 and 2.
The rf signal, reflected by the input ports of the cavity, enters the magic–
tee through the co–linear arms. The two signals are added at the Σ arm and
sampled by the directional coupler to give information about the energy stored
in cavity allowing for the measurement of the coupling factor, quality factor,
stored energy. While driving the cavity on the symmetric mode no reflected
signal is shown at the ∆ port of the magic–tee where the signals coming from
the co–linear arms are algebraically added to zero due to the 180o phase shift.
To get the maximum of the performances of the magic–tee we need to have
equal reflected signals (phase and amplitude) at the cavity input ports. To
preserve the signal integrity we use matched lines (in phase and amplitude)
inside the cryostat. Because the phase shift is very sensitive to temperature
inhomogeneities between the two cables and the phase difference between the
two co–linear arms of the magic–tee gives a quite strong signal at the ∆ port,
we need to compensate for differential thermal contractions of the cables inside
the cryostat, leading to phase unbalance in the feed lines. To do that we insert
a phase shifter in one of the lines to compensate for differences and to reduce
6
17
to a minimum the leakage of the unwanted modes on the two ports. As we will
show in section 6.2, mode leakage of the symmetric mode to the ∆ port sets a
limit to the system sensitivity increasing the overall noise level of the detector.
Mode leakage of the antisymmetric mode to the Σ port reduces the system
sensitivity by reducing the signal level available for detection. The output ports
of the cavity are coupled for a maximum output signal on the antisymmetric
mode (detection mode) and the magic–tee is used to reject the rf power at the
frequency of the symmetric mode. A fraction of the signal at the Σ port is
fed to the rf input of the phase detector PD via a low noise rf amplifier. The
intermediate frequency (IF) output of the phase detector PD is fed back to the
rf master oscillator to lock the output signal to the resonant frequency of the
resonator. The total phase shift around the loop is set through the phase shifter
PS, to have the maximum energy stored in the detector. A careful design of
the servo loop amplifier (SLA) guarantees the stability of the system and the
rejection of the residual noise of the master oscillator up to one MHz. The same
fraction of the Σ output of the output magic–tee is used to keep constant, to
100 ppm, the energy stored in the cavity feeding back an error signal to drive
the electronically controlled output attenuator of the master oscillator.
Great deal of care is needed in tailoring the frequency response of both controls because the two loops can interact producing phase–amplitude oscillations
in the rf fields stored in the cavities.
6.2
Sensitivity enhancement using the mode symmetry
The two modes of the detector cavity have (as in the case of two coupled pendula) opposite symmetries of the fields.
Using two separate sets of ports to drive the cavity and to receive the up–
converted signal at the frequency of the antisymmetric mode, the cavity acts
as a very sharp filter (due to the high Q), with an high rejection of the noise
coming from the master oscillator at the frequency of the up–converted signal.
This already low residual noise, can be even more reduced in our scheme using
two magic–tees to drive the cavity purely in the symmetric mode and to detect
only the up–converted energy, rejecting the unwanted field components by an
amount given by the magic–tee insulation.
In the case of an ideal magic–tee the mode rejection is infinite. If the cavity is driven purely in the symmetric mode no symmetric mode component is
transmitted through the system and there will be no signal at the output port.
In the ideal case this result is obtained also in the more simple scheme used by
Melissinos and Reece [33, 34], measuring the up–converted power coming out of
the detector along the input lines.
Our scheme gives better sensitivity and performances in the real case. The
first obvious gain is the sum of the ∆ and Σ port insulation of the two tees, plus
the possibility of adjusting separately the input and output lines to get better
mode rejection. In a commercial magic–tee the insulation is specified to be
≈ 25 – 35 dB over its own bandwidth. The reason for this quite low insulation
is mainly due to the difficulty of balancing on a large range of frequency the
phases of the signals coming from the two co–linear arms of the tee.
A phase unbalance as small as five degrees reduces the insulation from ∆ to
Σ port to only 25 dB.
6
18
Our electronic scheme allows for an independent compensation of the magic–
tee phase mismatch both at the feed frequency and at the detection frequency
in a flexible way: the phase mismatch is compensated using a variable phase
shifter at the input of one of the co–linear arms. The optimum phase at the
input side results in a pure excitation of the symmetric (drive) mode, keeping
the power at the frequency of the antisymmetric (detection) mode 70 dB below
the level of the drive mode. Adjusting the phase at the output will couple only
the antisymmetric mode component, rejecting the symmetric mode component
by 70 dB. The total symmetric–antisymmetric mode rejection of the system is
the sum of the attenuation we can obtain from the two 180o hybrids.
The input and output ports of the two cell cavity need to be critically coupled
(β = 1) to the rf source and to the rf detection system. In this way we have
the optimum transfer of power to the symmetric mode (a maximum of stored
energy) and to the antisymmetric mode (a maximum in the detector output).
Because the frequency and field distribution of the two modes are quite close,
the input and output ports are critically coupled to both modes. For that reason
50% of the symmetric mode signal is coupled to the idle Σ port at the output
magic–tee,
and symmetrically 50% of the antisymmetric mode signal is coupled to the
idle ∆ port at the input magic–tee. We remark that, since those two ports are
not used in our detection scheme, it is necessary to reflect back into the cavity
the energy flowing out of them. This task is achieved by a proper termination of
the ports; a careful analysis showed that closing the ports with an open circuit
completely decouples the input and output arms (optimum rejection of the
symmetric mode) and maximizes the stored energy and the detector sensitivity.
At the Σ port of the detection arm we insert a directional coupler to sample
a tiny amount of the symmetric mode power coming from the cavity. This signal
is fed into the frequency–amplitude servo loop used to lock the master oscillator
to the cavity frequency and to keep constant the energy stored in the cavity.
6.3
Detection of the converted signal
Having devised a means of suppressing the high level pump frequency signal,
the remaining problem is to amplify and detect the low level parametric mode
signal. The detection limit, hence overall sensitivity of the machine is now
determined by the RF thermal noise level. In order to detect the low level
signal it must be amplified and to do this without degrading the signal to noise
ratio, a low noise amplifier is required. The lower the effective noise figure of
the RF amplifier, the higher will be the sensitivity. In this case we can make
use of the fact that the resonant cavities are operated at cryogenic temperatures
and use a cryogenic low noise amplifier with lowest possible noise figure.
Since the late 1970s research has been conducted into the performance of
GaAs FET and later GaAs HEMT RF amplifiers at cryogenic temperatures.
The principle applications for this technology have been for radio astronomy
receivers and for satellite ground station receivers. A typical receiver uses a 2
stage closed cycle Helium refrigerator reach a base temperature of around 15
K. HEMT amplifiers work well at this temperature if carefully design, but can
also work down to liquid Helium temperatures. However, the additional benefit
in noise temperature performance of operating at LHe compared to 15 K is not
great and is mostly not justified when traded-off against of system complexity,
6
19
when the equipment must operated in a radio astronomy telescope or a satellite
ground station antenna. However, in this application, cooling to 4.5 K or 1.5K
in liquid Helium is available in the same dewar as the superconducting coupled
cavities.
The layout of the detection electronics is shown in fig. 12.
Figure 12: Electric circuit of the detector system
The signal converted to the antisymmetric mode by the interaction between
the mechanical perturbation and the rf fields is coupled to the ∆ port of the
detection arm of the rf system and amplified by the low noise rf amplifier LNA.
The converted rf signal amplified by the LNA is fed to the rf input port (RF)
of a low noise double balanced mixer M1; the local oscillator port (LO) of M1 is
driven by the symmetric mode rf power (at angular frequency ωs ). The LO input
level is adjusted to minimize the noise contribution from the mixer. As shown
in the previous section the input spectrum to the RF port of the mixer consists
of two signals: the first at angular frequency ωs coming from the rf leakage of
the symmetric mode through the detection system; the second is the converted
energy at angular frequency ωa . Both signals are down–converted by the M1
mixer giving to the IF port a DC signal proportional to the symmetric mode
leakage and a signal at angular frequency Ω proportional to the antisymmetric
mode excitation. The down–converted IF output is further amplified using a
low noise audio preamplifier.
For the detection electronics of mechanically coupled interactions, at angular
frequency Ω, as gravitational waves, since the exact frequency and phase of the
driving source is not known, we can’t perform a synchronous detection. We
need to perform an auto–correlation of the detector output,
or to cross–correlate the outputs of two different detectors.
The outlined detection scheme gives the benefit of being insensitive to perturbations affecting in the same way the frequency of the two modes.
The first point to note in terms of the general architecture of the solution
is that if a cryogenic amplifier is to be used within the same cryogenic dewar
as the coupled cavities, then the phase shifter, variable attenuator and 180o
hybrid also need to be inside the dewar. If this is not the case then the noise
temperature contribution of these components will dominate and there will be
little, if any, benefit in having a cooled amplifier. As it is known that HEMT
amplifiers can be produced for cryogenic operation, we shall first focus on the
passive components. A consequence of placing the phase shifter and variable
7
RESPONSE OF THE DETECTOR
20
attenuator inside the cryogenic dewar is that they will have to be controllable
by an electrical signal, rather than manually. For this reason the description
below considers voltage controlled devices. In the interest of implementing a
solution which is reasonably economic, the preferred approach will be to use
commercial devices for the passive components, rather than developing special–
to–type components. Many electronic components, particularly passive ones,
will operate at cryogenic temperatures, even if not specified to do so by their
manufacturers. Hence, the following focuses on the potential problems which
will need to be investigated in order to qualify commercial components.
The 180o hybrid is essentially a just a strip line device. The only concern
about operation in cryogenic temperatures is due to differential thermal contraction of the materials of the component, particularly in the area of the connections
between the strip line and coaxial I/O connectors. There may also be changes
in dielectric properties of the substrate, which may affect the impedance of the
I/O ports. Nevertheless strip line couplers have been used in many cryogenic
applications without any problem, so we shall only validate this component with
a simple test.
Voltage controlled phase shifter. The key element of the shift shifter is a
varactor diode. Silicon and GaAs diodes are know to be capable of operation at
cryogenic temperatures. However, particularly in the case of silicon, the electrical characteristics change significantly at cryogenic temperatures. Therefore,
it is predicted that a phase shifter will still operate a cryogenic temperatures
but its transfer characteristics will change significantly from the ambient temperature specifications. For this reason a particular aim will be to calibrate
the device when operating at cryogenic temperatures. Another factor to note
is that varactor diode phase shifters have limitations in operating power. Between 0 dBm and + 5dBm input power the varactor diodes begin to work as
rectifiers. In any case, the pump energy in the cavity output ports is typically
below 0dBm, but this should be confirmed.
Voltage controlled variable attenuator. The key element of a voltage variable
attenuator is a diode and so the analysis given above for the phase shifter is
also relevant for the variable attenuator.
Bypass Switch. The function of the bypass switch is to allow coarse tuning
of the circuit for pump frequency suppression. Before the phasing is tuned the
pump frequency signal may be large and could saturate the low noise amplifier.
The bypass switch will allow for direct connection of a spectrum analyser outside
the dewar for initial tuning. The bypass switch will be coaxial relay type.
7
7.1
Response of the detector
Signal
The interaction between the stored e.m. field and the time–varying boundary
conditions depends on both how the boundary is deformed by the external perturbation and on the spatial distribution of the fields inside the resonator. Any
field configuration inside the resonator can be expressed
as the superposition
of
the
electromagnetic
normal
modes
[35]:
E(r,
t)
=
En (t) En (r); H(r, t) =
√ √
E
·
E
(t)
H
(r),
with
E
(t)
≡
dV
;
H
(t)
≡
µ0 H · Hn dV and
H
n
n
n
0
n
n
Hn · Hm dV = En · Em dV = δnm .
7
21
Similarly if u(r, t) denotes the displacement of the mass element of the walls
at point r and time t, relative to its position at rest, the displacement of the
walls can be written
as the superposition
of the mechanical normal modes ξα (r)
[36]: u(r, t) = ξα (r) qα (t), with ξα (r) · ξβ (r)ρ(r) dV = M δαβ , where M and
ρ are the mass and the density of the walls.
We want to study the energy transfer between two electromagnetic normal
modes of a resonator whose boundary is perturbed by an external force when
mode ”1” is highly excited by an external source at its eigenfrequency, H1 ≈
A1 cos(ω1 t) and E1 ≈ A1 sin(ω1 t), with constant amplitude A1 . We shall assume
that only one mechanical mode couples to the external force. Including empirical
damping terms, the equations of motion for the field amplitudes are given by:
ω2
1
m
Ḣ2 + ω22 H2 = − ω22 qm C21
H1
Q
2
(1)
m
1 C21
ωm
fm
2
−
H2 H1∗
q̇m + ωm
qm =
Qm
M
2 M
(2)
Ḧ2 +
q̈m +
where fm (t) = f (r, t) · ξm (r) dV , and f (r, t) is the volume force density which
m
acts on the walls. The time–independent coupling coefficient C21
is given by
(the superscript m labels the mechanical normal mode, while the subscripts
label the electromagnetic modes):
m
C21 = (H2 · H1 − E2 · E1 ) ξm · dS .
(3)
S
The dependence of the coupling coefficient, and therefore of the energy transfer, both on the field spatial distribution and on the boundary deformation,
has been checked using a resonator made up of two pill–box cavities, mounted
end–to–end and coupled by a small circular aperture in their common endwall.
The perturbation of the resonator’s boundary was induced by two piezoelectric
crystals mounted in the center of the two circular endwalls. The TE011 symmetric mode at 3 GHz was excited by an external rf source and the piezos were
driven by a synthesized oscillator tuned at the frequency corresponding to the
symmetric–antisymmetric mode separation (≈ 500 kHz). The relative phase of
the signals driving the two piezos could be set to 0 degrees and to 180 degrees
with an external switch. Eq. 3 predicts for this field and for this boundary conm
m
= 0, for the in-phase excitation and C21
= 2, for the excitation
figuration C21
with 180 degrees phase lag. These predictions are clearly confirmed by the data
m
shown in Fig. 13. The explicit calculation of the coupling coefficient C21
for
an arbitrary deformation of the resonator volume can be done only by numerical methods. Analytic calculations showed that for an ideal spherical hollow
resonator, excited in the fundamental quadrupolar mechanical mode and in the
m
= 1.9. More detailed calculations, made on
TE011 electromagnetic mode, C21
a realistic model of the coupled spheres, including the central coupling cell and
the e.m. input and output ports, were made by finite element methods.
H2 (t) is given by:
H2 (t) =
∞
0
K(τ )fm (t − τ ) dτ =
1
2π
+∞
−∞
K(ω)
fm (ω) exp(iωt) dω ;
K(τ ) = 0 for τ ≤ 0 .
(4)
7
22
-40
-50
-60
-70
-80
-90
-100
-110
9
3.0275 10
3.028 10
9
3.0285 10
9
3.029 10
9
3.0295 10
9
Frequency [Hz]
Figure 13: Power trasfer between the symmetric and the antisymmetric mode
with in–phase piezo excitation (solid) and 180 degress out–of–phase excitation
(dashed)
The density of the external forces driving the motion of the system, i.e. the
tides generated by the passing gravitational wave, are given by
fi (r, t) = −ρ(r)R0i0j (t)xj ,
(5)
where ρ is the wall density, and R0i0j (t) are the components of the Riemann
tensor evaluated in the center of mass of the solid. The components of the
Riemann tensor can be expressed in terms of the adimensional amplitude of the
g.w. R0i0j (t) = −1/2 äij (t).
For a ”+” polarized plane g.w travelling along the z axis the force density,
in the proper reference frame attached to a detector lying in the xy plane, has
the form:
1
(6)
f (r, t) = ρ(r)ä(t) [−x, y, 0] ,
2
with a similar expression for the ”×” polarization. The generalized force, acting
7
23
on the m mechanical mode, then has the form
1
[(ξm )x x − (ξm )y y] ρ(r) dV .
fm (t) = − ä(t)
2
V ol
(7)
fm (ω) is then given by:
1
a(ω)
fm (ω) = M ω 2 L 2
(8)
having defined the detector’s effective length (for this mechanical mode and
wave polarization):
1
L=
[(ξm )x x − (ξm )y y] ρ(r) dV
(9)
M V ol
The function K(ω)
is found to be:
K(ω)
=
m 2
C21
ω2 A1 /(2M )
ω2
2
2
2 − ω 2 + i ωωm −
ω2 − (ω + ω1 ) + i Q (ω + ω1 ) ωm
Qm
m A ω )2
(C21
1 2
4M
exp(i ω1 t)
(10)
The second term in the denominator of Eq. 10 is due to the back–action of
the electromagnetic fields on the cavity walls. Its effect is particularly important
when ω2 − ω1 ≈ ωm . In this case optimum signal transfer does not correspond
to the maximum field amplitude A1 that can be stored in the initially excited
mode (that is limited by the critical field of the superconductor, Hc ≈ 0.2 T for
niobium). Instead, optimum signal transfer is obtained from a lower value that
has to be optimized according to the prevailing experimental conditions and
detector characteristics. The dependence of the signal on the energy stored
in the initially excited mode will be further discussed in Section 6.2 where
the expected sensitivity of the detector in various experimental conditions is
analyzed.
The average energy stored in mode number 2 is U2 = 1/2|H2 (t)|2 and the
power extracted from a cavity port coupled to an external load with a coupling
coefficient β2 is P2 = β2 (ω2 /Q) U2 .
If a(t) = hα(t) with α(t) periodic at angular frequency Ω, the expression of
the output power from mode 2 is given by P2 = R(Ω) h2 , with
R(Ω) =
7.2
1 β2 ω 2 4 2 2 Ω M L |K(Ω)|2 .
4 Q
(11)
Noise
To study how the thermal fluctuations of the walls contribute to the output
signal, we will start again from Eqs. 1–2, taking now the external force fm (t)
as a stochastic force with constant power spectrum Sf m = 4M kB T ωm /Qm [37].
The output noise power spectral density is given by:
SP P (ω) =
β2 ω 2 |K(ω)|2 Sf f
Q
(12)
The thermal fluctuations of the electromagnetic field itself can be calculated
in an analogus way. Starting again from Eqs. 1–2, we consider an external,
7
24
stochastic force coupled to the magnetic field H2 (t), with constant power spectrum Sf e = 4kT /(ω2 Q). The output noise spectral density is given by:
SHH =
β2 ω 2
|
χ(ω)|2 Sf e
Q
(13)
with χ
(ω) given by:
2
m
ω22 ωm
− ω 2 + i ωω
Qm
χ
(ω) = ω2
2
m
2
2
−
ω2 − (ω + ω1 ) + i Q (ω + ω1 ) ωm − ω 2 + i ωω
Qm
m A ω )2
(C21
1 2
4M
.
(14)
m
We note that in the limit of vanishing coupling, C21
≈ 0, the contribution to the
output noise of the walls vanishes, while the contribution of the electromagnetic
field fluctuations tends to be like a simple harmonic oscillator of frequency ω2
and quality factor Q.
Other noise sources must also be taken into account. To operate our device
we have to feed microwave power into mode 1, using an external rf source locked
on mode 1, at frequency ω1 . The master oscillator phase noise is filtered through
the resonator linewidth; the power spectral density has the following frequency
dependence [35]:
4β1 Pi /(ω1 Q)
(15)
SMO (ω) = 2
ω+ω1
ω1
1 2
+
−
Q
ω1
ω+ω1
where Pi is the power input level and β1 is the coupling coefficient of mode 1
to the output load. From the above equation we can estimate the microwave
power noise spectral density at the detection frequency ω = ω2 − ω1 :
Pi
SMO (ω2 − ω1 ) ≈ β1
ω1 Q
ω2
ω2 − ω1
2
(16)
This figure can be improved if the receiver discriminates the spatial field
distribution of the e.m. field at frequency ω2 , i.e. if it is sensitive only to the
power excited in mode number 2, rejecting all contributions coming from mode
number 1. In this way mode 1 is decoupled from the output load and β1 = 0.
The experimental set–up, based on the use of two magic–tees which accomplishes
this issue, is discussed in detail in [5]. Of course, the mode discrimination cannot
be ideal, and some power leaking from mode 1 to the detector’s output will be
present. Nevertheless our previous work has demonstrated that with careful
tuning of the detection electronics we can obtain β1 ≤ 10−14 [5].
The input Johnson noise of the first amplifier in the detection electronics has
to be added to the previous contributions to establish the overall noise spectral
density. It can be described by the frequency independent spectral density [37]:
SJJ = kB T (10(N/10) − 1) ≡ kB Teq
(17)
where N is the noise figure of the amplifier (in dB) and T the operating temperature. The equivalent temperature (or noise temperature) Teq , is equal to
the temperature (in Kelvin) of a 50 ohm termination at the input of an ideal
noiseless amplifier with the same gain and generating the same output noise
power.
7
25
Other noise sources (e.g. the seismic noise) are not considered in this paper.
We shall characterize the noise in our detector by a frequency dependent
spectral density Sh (ω), with dimension Hz−1 defined as
Sh (ω) =
Sn (ω)
R(ω)
(18)
where Sn = SP P + SHH + SMO + SJJ , is the detector noise spectral density.
7.3
Sensitivity
Let us focus our attention on the system based on two spherical niobium cavities
working at ω1 ≈ ω2 ≈ 2 GHz with a maximum stored energy in the initially
excited symmetric mode of U1 ≈ 10 J per cell (corresponding to a maximum
surface magnetic field Hmax = 0.1 T, half the critical field of niobium). This is a
small–scale system with an effective length of 0.1 m and a typical weight of 5 kg.
The lowest quadrupolar mechanical mode is at ωm ≈ 4 kHz. In the following,
we shall consider an equivalent temperature of the detection electronics Teq = 1
K.
A possible design of the detector uses both the mechanical resonance of the
structure, and the e.m. resonance. Due to the tuning system, the detection
frequency can be made equal to the mechanical mode frequency ωm ≈ ω2 − ω1 .
The expected sensitivity of the detector for ω2 − ω1 = ωm = 4 kHz is shown in
figure 14, for a mechanical quality factor Qm = 103 (solid line) and Qm = 106
(dashed line). Note that, in the two cases, the optimum sensitivity is obtained
with different values of stored energy. In both cases the stored energy has been
optimized for maximum detector bandwidth. When the mechanical quality
factor is higher (Qm = 106 ) the stored energy has to be maintained much under
the maximum allowed value.
When ω2 − ω1 = ωm , the detector sensitivity is limited by the walls thermal
motion. In this case, a lower Teq would increase the detection bandwidth.
Since our detector is based on a double resonant system (the mechanical
resonator and the electromagnetic resonator) it can be operated also for frequencies ω2 − ω1 = ωm . At frequencies ω2 − ω1 ≤ 1 kHz the master oscillator
phase noise will, in general, completely spoil the system sensitivity, while at frequencies ω2 − ω1 ≥ 10 kHz the noise coming from the detection electronics will
dominate. The expected sensitivity of the small–scale detector for ω2 − ω1 = 10
kHz is shown in figure 15.
In order to increase the expected sensitivity a large–scale system has to be
developed. A possible design could be based on two spherical cavities working
at ω1 ≈ ω2 ≈ 500 MHz, with ωm ≈ 1 kHz. This system could have a maximum
stored energy of U1 ≈ 1200 J per cell, an effective length of 0.4 m and a typical
weight of 2300 kg. With a reasonable choice of system parameters one could
obtain the sensitivity shown in figure 16, for the double-resonance case (ω2 −
ω1 = ωm ). As in the previous (small–scale) case the energy store in the initially
excite mode has been optimized for maximum bandwidth, and it has to be much
less then the maximum allowed. Also in this case lowering Teq corresponds to
an increase of the detection bandwidth.
Obviously the large–scale system could also be used at higher frequencies;
in this case a good sensitivity can be achieved in a narrow detection bandwidth
(see Fig. 17).
sqrt(Sh) [Hz^(-1/2)]
7
10
-17
10
-18
10
-19
10
-20
10
-21
3700
3800
3900
26
4000
4100
4200
4300
Frequency [Hz]
Figure 14: Calculated system sensitivity (ωm ≈ ω2 − ω1 ≈ 4 kHz, Q = 1010 ,
T = 1.8 K, Teq = 1 K, and a) Qm = 103 , stored energy U ≈ 10 J per cavity
(solid line); b) Qm = 106 , stored energy U ≈ 0.1 J per cavity (dashed line))
It is worth noting that the narrow detection bandwidth is not an unavoidable drawback of the system. Actually its value is determined by the coupling
coefficient of the antisymmetric mode at the ∆ port of the output magic–tee,
and can be adjusted changing this coupling. This corresponds to changing (lowering) the quality factor of the antisymmetric mode, leaving the quality factor of
the symmetric mode unaffected. Of course an increased bandwidth corresponds
to a lower sensitivity, since the latter is proportional to the antisymmetric mode
quality factor. The possibility to increase the detection bandwidth is also interesting for other possible applications of this detection technique which is based
on the parametric frequency conversion between two electromagnetic modes in
a cavity (for example, in connection with recently proposed detectors based on
the dual resonator concept [38, 39, 40]).
DATA ANALYSIS
8
10
-19
10
-20
10
-21
0
27
0.5
1
1.5
Freq - 10000 [Hz]
2
2.5
Figure 15: Calculated system sensitivity (ωm ≈ 4 kHz, ω2 − ω1 ≈ 10 kHz,
Q = 1010 , T = 1.8 K, Teq = 1 K, stored energy U ≈ 10 J per cavity and a)
Qm = 103 (solid line); b) Qm = 106 (dashed line))
8
Data analysis
Several aspects of MAGO data analysis need to be investigated.
The data-analysis for both single and multiple MAGOs will be akin of those
used for acoustic detectors [41], in view of the narrowband MAGO response.
Data analysis strategies for MAGOs operating above f ∼ 4 · 103 Hz will be
strictly non parametric, in view of the present lack of GW source/signal models
in this frequency range.
Optimum MAGO tuning schedules for detecting unknown (sub)millisecond
pulsars [42], [43] will be obviously a most relevant issue to be investigated.
A ”xylophone” of MAGOs tuned in the range between 103 Hz and 104 Hz
might be able to both detect and estimate the chirp-mass [44] of galactic light6
BH-MACHO binaries [45], which would produce a distinct signature in the xylophone output [46]. The expected (optimistic) event-rate might be non negligible
6 The highest GW frequency radiated during binary inspiral is twice the orbital frequency
of the last stable circular orbit, and is [44] f ∼ 4 · 103 (M /M ) [Hz] .
COLLABORATION, COST AND SCHEDULE
9
10
-19
10
-20
10
-21
935
940
945
950
28
955
960
965
Frequency [Hz]
Figure 16: Calculated system sensitivity (ωm ≈ ω2 − ω1 ≈ 1 kHz, Q = 1010 ,
Qm = 106 , T = 1.8 K, Teq = 1 K, stored energy U ≈ 1 J per cavity)
[41].
Once MAGO prototypes will be up and running, a primary task will be to
investigate the experimental noise PSD and transfer function, by comparison to
their theoretical counterparts.
The MAGO data-analysis activity will be initially focused on the above
mentioned issues.
9
Collaboration, cost and schedule
9.1
Collaboration
• INFN–Genova
People: R. Ballantini, A. Chincarini, S. Cuneo, G. Gemme (spokeperson),
R. Parodi, E. Picasso, R. vaccarone (4.2 FTE in 2004).
Tasks: Suspension system. Refrigerator and cryostat. Low noise electronics. Rf tests.
10
-20
10
-21
10
-22
10
-23
29
9
4001.4
4001.6
4001.8
4002
4002.2
4002.4
Frequency [Hz]
Figure 17: Calculated system sensitivity (ωm ≈ 1 kHz, ω2 − ω1 ≈ 4 kHz,
Q = 1010 , Qm = 106 , T = 1.8 K, Teq = 1 K, stored energy U ≈ 1200 J per
cavity)
• CERN1 People: Ph. Bernard, E. Chiaveri, S. Calatroni, R. Losito (0.9
FTE).
Tasks: Refrigerator and cyostat. Rf simulations and tests.
• INFN–Napoli (Gruppo Collegato di Salerno)
People: R.P. Croce, V. Galdi, V. Pierro, I.M. Pinto (local coordinator) (1
FTE).
Tasks: Source modelling. Data analysis. Rf simulations and tests.
9.2
Cost
An overview of the costs of the experiment is given in table 9.2. Their subdivision (including missions and consumables) in the years 2004–2007 is given in
table 9.2.
1 CERN
does not tale part in the experiment as an external institution.
9
System
Item
30
Cost (ke)
Cryostat
Vessels
Refrigerator
Suspension system
Read–out electronics and data acquisition
200
180
220
200
Total
800
Table 1: Cost estimation (hardware and constructions)
Year
2004
2005
2006
2007
Total
Cost (ke)
230
330
450
350
1360
Table 2: Cost subdivision (including missions and consumables)
9.3
Schedule and subdivision of tasks
In the first two years (2004–2005) the main effort will be dedicated to the design,
construction and test of critical components of the system. In the first year the
layout of the suspension system will be designed and a prototype of an element of
each stage will be produced, preceeded by a thorough analysis of their behaviuor
by finite element calculations. Obviously we shall take advantage of the wide
experience gained by the groups that have been working on this item for several
decades. INFN–Genova group will be in charge of this task.
The study of the suspension system has to be worked out in parallel with
the design of the subcooled superfluid helium refrigerator, which should provide
the cooling power needed to maintain the cavity at low temperature, without
introducing an unacceptable amount of noise from the external environment.
We have identified two critical components of the refrigerator, which have to
be designed and tested in the first couple of years. First, the automatic control
of the saturated superfluid helium level in the saturated superfluid helium box.
Second, the channel connecting the saturated helium bath at 4.2 K with the
vessel housing the detector. This component provides a direct connection between the inner vessel, which houses the detector, and the external enviroment.
For this reason it needs to be integrated with the suspension system, and has
to be studied carefully, both from the thermal and from the mechanical point
of view. Our goal is to complete the design of the cryostat in the third quarter
of 2005 and to start the commissioning of its components by the end of 2005.
INFN–Genova group, together with the CERN group, will be in charge of this
task.
In the first two years, the detection elecronics has to be characterized, together with the suspension and refrigeration systems. The first task will be the
construction of a cryogenic test–bed for the measurement of the noise figure of
9
31
amplifiers, rf passive components, and their combinations. The system should
consist of a dual variable temperature insert (VTI). One VTI is needed for the
components under test, the other for the source resistor.
The first half of 2004 will be devoted to the construction of the test facility.
In the second half of 2004 we shall start with the characterization of the chosen
LNA. The contribution to the noise power spectral density coming from the
amplifier should be less than the intrinsic noise generated in the cavity. We
estimate that this noise level corresponds to that of an amplifier with a noise
temperature of 1 K. Standard GaAS microwave amplifiers for satellites and
communication will be studied at low temperature. No data for commercial
amplifiers operating below 77 K are available. A sizable noise reduction should
be obtained working at 4.2 K or below, but the actual amount reduction has to
be found.
At Chalmers University the group of Prof. H. Zirath is leader in the production of HEMT made with InP technology. Their amplifiers are optimized for 4
GHz and beyond, where the noise temperature is about 2.5 K. The noise at 2
GHz is slightly higher. We plan to study their device at 4.2 K and below, and
to have the amplifier optimized for 2 GHz use. Other devices using transistors
manufactured by ETH and TRW have been tested for the Herschel project.
Even in this case the band and noise are optimized for 4–8 GHz use. A noise
temperature of 3.5 K has been attained at a temperature of 13 K.
An essential role in the detection system is played by a few passive components, which are needed to subtract the opposite signal coming from the two
cavities. To reach a good null condition we have to correct the fase and the
amplitude of the two channels. The nulling condition must be modified in real
time by a control loop, with a time constant of the order of the milliseconds.
We will have to find or to develop cryogenic components like magic–Tees, electrically variable attenuators and phase shifters. At low temperature the use of
ferroelectric materials is promising. Another technology is based on MEMS,
and is preferred when the parameter must be changed digitally. During the
second year (2005) we shall characterize the low temperature behaviour of passive rf components (phase shifters, attenuators, ecc.). INFN–Genova group,
together with INFN–Napoli group, will be in charge of the characterization of
the detection electronics.
The development of reliable models of candidate sources of gw’s is a formidable
task, together with the study of the most effective data analysis strategies to
extract their signal from the detector’s noise. This issues will be carried on in
parallel with the experimental effort. INFN–Napoli group will be in charge of
this task.
Year 2006 will be mainly dedicated to the construction of the cryostat, while
in 2007 the whole system shall be integrated and tested.
REFERENCES
32
References
[1] http://www.roma1.infn.it/rog/
http://www.lnl.infn.it/ auriga/welcome.html
http://gravity.phys.lsu.edu/
http://www.gravity.pd.uwa.edu.au/.
[2] http://www.virgo.infn.it/
http://www.ligo.caltech.edu/
http://www.geo600.uni-hannover.de/
http://tamago.mtk.nao.ac.jp/tama.html
http://lisa.jpl.nasa.gov/.
[3] F. Pegoraro, L.A. Radicati, Ph. Bernard, and E. Picasso. Electromagnetic
detector for gravitational waves. Physics Letters, 68A(2):165–168, 1978.
[4] F. Pegoraro, E. Picasso, and L.A. Radicati. On the operation of a tunable
electromagnetic detector for gravitational waves. Journal of Physics A,
11(10):1949–1962, 1978.
[5] Ph. Bernard, G. Gemme, R. Parodi, and E. Picasso. A detector of small
harmonic displacements based on two coupled microwave cavities. Review
of Scientific Instruments, 72(5):2428–2437, 2001. arXiv:gr-qc/0103006.
[6] R. Ballantini, Ph. Bernard, E. Chiaveri, A. Chincarini, R. Losito,
G. Gemme, R. Parodi, and E. Picasso. A detector of high frequency gravitational waves based on coupled microwave cavities. Classical and Quantum
Gravity, 2003. To be published.
[7] A.J. Farmer and E.S. Phinney. astro-ph/0304393.
[8] M.G. Haehnelt. Mon. Not. Roy. Astron. Soc., 269:199, 1994.
[9] F.D. Ryan. Phys. Rev. D, 52:5707, 1995.
[10] http://lisa.jpl.nasa.gov; http://sci.esa.int/home/lisa/.
[11] V. Kalogera et al. Astrophys. J. Lett., 550, 2001.
[12] A. Burrows and J. Hayes. Phys. Rev. Lett., 76:352, 1996.
[13] B.J. Owen et al. Phys. Rev. D, 58:084020, 1998.
[14] B. Allen and J.D. Romano. Phys. Rev. D, 59:102001, 1999.
[15] http://vega.ess.sci.osaka-u.ac.jp/gwdaw/files/0401.pdf.
[16] http://gravity.phys.lsu.edu/.
[17] http://www.auriga.lnl.infn.it/.
[18] http://www.roma1.infn.it/rog/explorer/explorer.
[19] http://www.lnf.infn.it/esperimenti/rog/nautilus.
[20] http://www.gravity.pd.uwa.edu.au.
REFERENCES
33
[21] L.S. Finn and S. Mukherjee. Phys. Rev. D, 63:062004, 2001.
[22] S. M. Merkowitz and W. W. Johnson. Physical Review D, 51:2546, 1995.
[23] http://www.minigrail.nl.
[24] P. Astone et al. Nucl. Phys. Proc. Suppl., 70:461, 1999.
[25] O.D. Aguiar et al. Class. Quantum Grav., 19:1949, 2002.
[26] Ph. Bernard, A. Chincarini, G. Gemme, R. Parodi, and E. Picasso. In
Proceedings of the Xth Workshop on Rf Superconductivity, Tsukuba, Japan,
2001. http://conference.kek.jp/SRF2001/pdf/PZ001.pdf.
[27] B. Schutz. The case for broadband high frequency detectors. In Gravitational waves advanced detectors workshop (GWADW), Aspen, (CO), 2003.
[28] K.D. Kokkotas and N. Andersson. Oscillation and instabilities of relativistic stars. In Recent developments in general relativity, Milan, Italy, 2002.
Springer–Verlag. Proc. of the XIV Conference of general relativity and
gravitational physics, Genoa, 2000.
[29] K.D. Kokkotas. High frequency gravitational waves sources. Proc. of the
Amaldi 5 International Conference on Gravitational Waves, Tirrenia, 2003.
[30] J.A. Lobo. What can we learn about gw physics with an elastic spherical
antenna? Physical Review D, 52:591, 1995.
[31] P. Astone et al. Noise behaviour of the Explorer gravitational wave antenna
during λ transition to the superfluid phase. Cryogenics, 32(7):668, 1992.
[32] Ph. Bernard, G. Gemme, R. Parodi, and E. Picasso. Coupled microwave
cavities for the detection of small harmonic displacements. Technical Report INFN/TC–98/17, INFN, 1998.
[33] C.E. Reece, P.J. Reiner, and A.C. Melissinos. Observation of 4 × 10−17
cm harmonic displacement using a 10 GHz superconducting parametric
converter. Physics Letters, 104A(6,7):341, 1984.
[34] C.E. Reece, P.J. Reiner, and A.C. Melissinos. Parametric converters for detection of small harmonic displacements. Nuclear Instruments and Methods,
A245:299–315, 1986.
[35] J.C. Slater. Microwave Electronics. D. Van Nostrand Company, Inc., New
York, 1950.
[36] P.R. Saulson. Thermal noise in mechanical experiments. Physical Review
D, 42(8):2437–2445, 1990.
[37] A. Papoulis. Probability, Random Variables and Stochastic Processes.
McGraw–Hill, New York, 1965.
[38] M. Cerdonio et al. Wideband dual spere detector of gravitational waves.
Physical Review Letters, 87:031101, 2001.
REFERENCES
34
[39] L. Conti et al. A wideband and sensitive gw detector for khz frequencies:
The dual sphere. Classical and Quantum Gravity, 19:2013–2019, 2002.
[40] M. Bonaldi et al. Selective readout and back-action reduction for wideband
acoustic gravitational wave detectors. 2003. arXiv:gr-qc/0302012.
[41] L.S. Finn. Gravitational radiation sources and signatures.
qc/9903107, 1999.
[42] J. Cordes and D.F. Chernoff. Astrophys J., 482:971, 1997.
[43] L. Burderi et al. astro-ph/0109088, 2001.
[44] L.S. Finn. Phys. Rev. D, 53:2878, 1996.
[45] T. Nakamura et al. Astrophys . Lett., 487, 1997.
[46] R.P. Croce et al. 2003.
arXiv:gr-
LIST OF FIGURES
35
List of Figures
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
Artistic view of the coupled spherical cavities with the central
tuning cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Niobium spherical cavities (fixed coupling) . . . . . . . . . . . .
Niobium spherical cavities (variable coupling) . . . . . . . . . .
LISA–LIGO comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
The narrowband response of GEO600. The picture shows the
spectral densities of the amplitudes of apparent gravitational
waves which give the same detector output as the various noise
sources. (Black: overall noise; green: shot noise; blue: seismic
noise; yellow: thermal noise; red: standard quantum limit. Courtesy of GEO600) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Electric field magnitude of the TE011 mode. Note the alignment
of the field axis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Detection frequency vs. coupled cells distance . . . . . . . . . . .
Detection frequency vs. coupling tubes diameter . . . . . . . . .
Quality factor vs. stored energy for the fixed–coupling cavity of
Fig. 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sketch of the suspension system . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Flow chart of the subcooled superfluid helium refrigerator . . . .
Electric circuit of the detector system . . . . . . . . . . . . . . .
Power trasfer between the symmetric and the antisymmetric mode
with in–phase piezo excitation (solid) and 180 degress out–of–
phase excitation (dashed) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Calculated system sensitivity (ωm ≈ ω2 − ω1 ≈ 4 kHz, Q = 1010 ,
T = 1.8 K, Teq = 1 K, and a) Qm = 103 , stored energy U ≈ 10 J
per cavity (solid line); b) Qm = 106 , stored energy U ≈ 0.1 J per
cavity (dashed line)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Calculated system sensitivity (ωm ≈ 4 kHz, ω2 − ω1 ≈ 10 kHz,
Q = 1010 , T = 1.8 K, Teq = 1 K, stored energy U ≈ 10 J per
cavity and a) Qm = 103 (solid line); b) Qm = 106 (dashed line))
Calculated system sensitivity (ωm ≈ ω2 − ω1 ≈ 1 kHz, Q = 1010 ,
Qm = 106 , T = 1.8 K, Teq = 1 K, stored energy U ≈ 1 J per
cavity) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Calculated system sensitivity (ωm ≈ 1 kHz, ω2 − ω1 ≈ 4 kHz,
Q = 1010 , Qm = 106 , T = 1.8 K, Teq = 1 K, stored energy
U ≈ 1200 J per cavity) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
4
5
6
7
9
10
11
12
13
14
19
22
26
27
28
29
List of Tables
1
2
Cost estimation (hardware and constructions) . . . . . . . . . . .
Cost subdivision (including missions and consumables) . . . . . .
30
30
Codice
Esperimento
Gruppo
MAGO
2
NUCLEARE
PREVISIONE DI SPESA
In KEuro
ANNI
Miss.
FINANZIARI interno
2004
2005
2006
2007
TOTALI
Mod EC./EN. 6
Miss.
estero.
Materiale
di cons.
35
35.0
35.0
35.0
59
50.0
50.0
50.0
25
25.0
25.0
75.0
140,0
209,0
150,0
Trasp. e Spese
Facch. Calc.
0
0.0
0.0
0.0
0
0.0
0.0
0.0
Affitti e
Manut.
Appar.
17.5
17.5
17.5
17.5
70,0
Mater.
inventar
Costr.
appar.
TOTALE
Compet.
71.5
90.5
122.5
72.5
28
112.0
200.0
100.0
236.0
330.0
450.0
350.0
357,0
440,0 1366,0
Struttura
GE
Codice
Esperimento
MAGO
Gruppo
2
N
1
2
3
4
5
6
7
8
RICERCATORE
Cognome e Nome
Qualifica
Dipendenti
Incarichi
Affer.
al
gruppo
.
Art.
23
Ruolo
Ricerca Assoc
BALLANTINI Renzo
BERNARD Philippe
CALATRONI Sergio
CHIAVERI Enrico
LOSITO Roberto
PICASSO Emilio
PODESTA' Andrea
VACCARONE Renzo I Ric
AsRic
C.E.R.N.
C.E.R.N.
C.E.R.N.
C.E.R.N.
P.O.
Dott.
5
5
2
2
2
1
5
5
%
N
60
30
20
20
20
50
60
30
1
2
3
4
TECNOLOGI
Cognome e Nome
CHINCARINI Andrea
CUNEO Stefano
GEMME Gianluca
PARODI Renzo
Qualifica
Incarichi
Ass.
Ruolo Art. 23
Tecnol.
Tecn.
Tecn.
Tecn.
D.T.
Dipendenti
N
TECNICI
Cognome e Nome
1 PEPE Salvatore
Collab.
tecnica
CTer.
Annotazioni:
mesi−uomo
1.0
2.0
2.0
Mod EC./EN. 7
%
Assoc.
tecnica
SERVIZI TECNICI
Denominazione
Qualifica
Incarichi
Art. 15
70
10
70
70
4
2.2
Dipendenti
Ruolo
%
25
1
0.25
NUCLEARE
Codice
Esperimento
Gruppo
MAGO
2
Data
completamento
Descrizione
30/6/2004
Disegno elementi della sospensione
30/6/2004
Completamento test−bed per la qualifica dei componenti elettronici
31/12/2004
Prototipo elemento sospensione
31/12/2004
Test elementi critici refrigeratore
31/12/2004
Test LNA (GaAs e InP) a 4.2K e 1.8K
Mod EC./EN. 8
Codice
Esperimento
MANU2
Rapp. Naz.: F. GATTI
NUCLEARE
Gruppo
2
F. GATTI
GE
Linea di ricerca
Laboratorio ove
Fisica delle particelle, massa del neutrino, anomalie dello spettro beta all'end−point; BEFS e analisi
comparata con EXAFS
INFN Genova ; FACILITY GILDA Sincrotrone di Grenoble
Sigla dello
esperimento
assegnata dal
laboratorio
ESRF Grenoble
Acceleratore usato
Fascio
(sigla e
caratteristiche)
GILDA
Decadimento beta del 187−Re ed effetto BEFS
Processo fisico
studiato
Apparato
strumentale
utilizzato
Microcalorimetri criogenici a transizione di fase superconduttiva. Refrigeratori a diluizione, elettronica di
preamplificazione a SQUID.
Genova − LNF
all'esperimento
INFN Padova, INFN GILDA CRG, ESRF Grenoble
Istituzioni esterne
4 anni
Durata esperimento
Mod EC. 1
Struttura
GE
Codice
Esperimento
MANU2
Resp. loc.: F. GATTI
Gruppo
2
In KEuro
IMPORTI
VOCI
DI
SPESA
Incontri coi collaboratori dei LNF e Padova
Parziali
Totale Compet.
SJ
SJ
3.0
3.0
Misure all'ESRF di Grenoble (2 settimane, 4 persone)
0.0
10.0
10.0 0.0
Fluidi criogenici
20.0
Materiali puri (Al, Ag, SiO, SiN, Ir, Re, Au, wafer−Si)
15.0
Consumi produzione TES (E−Beam, litogr., chimica gas puri per RTE, maschere
litografiche)
25.0
15.0
75.0 0.0
ons. produz. calorimetri, test e misure (tagli e lapping cristalli, holders, sorg. di calibr.,
comp. elettr., micromanipolaz., bonding)
Consorzio
Ore CPU
Spazio Disco
Cassette
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
Altro
Macchina per "oxigen plasma"
35.0
35.0 0.0
Costruzione elettronica (acquisto JFET basso rumore/digitalizzatori e CPU di controllo)
145.0
145.0 0.0
Totale
268.0 0.0
Mod EC./EN. 2
A cura della
Comm.ne
Scientifica
Nazionale
Struttura
GE
Codice
Esperimento
MANU2
Gruppo
2
Motivazioni delle richieste di spesa − La richiesta di trasferte estere per misure al Sincrotrone di Grenoble, presso la
facility GILDA, continua ad essere motivata da due principali obiettivi. Il primo è il raffinamento e completamento delle
analisi EXAFS da cui è possibile ricavare i parametri che servono al calcolo delle oscillazioni BEFS soprattutto vicino
all'end−point. Questo effetto, sebbene sia previsto essere trascurabile secondo ipotesi ritenute "ragionevoli", potrebbe
essere causa di una sostanziale distorsione dello spettro beta all'end−point; pertanto il completamento di tali misure è
essenziale. La seconda motivazione risiede nel fatto che i nostri rivelatori sono più performanti di quelli attualmente in uso
nei sincrotroni; pertanto è grande l'interesse per realizzare set di misure significative che possano portare a risultati nuovi.
Le spese per materiale inventariabile sono moptivate da sviluppi di questo anno nella definizione fine dei processi di
preparazione dei microcalorimetri evidenzia la presenza di impurezze superficiali dovute ai PMMA della microlitografia.
Tali residui attaccano chimicamente il sensore cambiandone le caratteristiche lentamente nel tempo. E' necessario
applicare una tecnica ben nota che utilizza plasma di ossigeno eccitante a radiofrequenza. Cio' giustifica la richiesta di
spesa per l'apparato do "oxigen plasma". Nella costruzione apparati e' riportato il sub−judice riguardante l'elettronica, già
richiesto nel 2002, che intendiamo far slittare al 2003, per poter optare su una scelta piu' avanzata, dato il grande sviluppo
di nuovi dispositivi a SQUID in atto recentemente.
Struttura
GE
Codice
Esperimento
MANU2
Gruppo
2
Codice
Esperimento
MANU2
NUCLEARE
Gruppo
2
In KEuro
di cui SJ
GE
LNF
TOTALI
di cui SJ
Materiale
di cons.
di cui SJ
Trasp.
e Facch.
di cui SJ
Spese
Calc.
di cui SJ
Affitti e
Manut.
Appar.
di cui SJ
Mater.
inventar.
di cui SJ
Costr. appar.
di cui SJ
TOTALE
Compet.
A
carico
di altri
Enti
di cui SJ
3,0
1,5
10,0
1,5
75,0
35,0
145,0
268,0
3,0
4,5
11,5
75,0
35,0
145,0
271,0
0,0
0,0
Note:
Mod EC./EN. 4
Codice
Esperimento
MANU2
NUCLEARE
Gruppo
2
ELETTRONICA − Nel 2003 abbiamo incontrato molti problemi nel realizzare i canali di read our a SQUID a larga banda. Questi hanno
mostrato noise in eccesso, anomalie delle caratteristiche ed altri difetti di produzione che ci hanno conviniti del basso livello di affidabilita' di
questa nuova tecnologia da poco disponibile sul mercato.
Nel corso dell'anno abbiamo investigato due alternative: SQUID tradizionali con una maggior banda e slew−rate ed amplificatori a JFet
freddi sintonizzati alla frequenza di bias del rivelatore tramite un trasformatore. Quest'ultima via ha dato risultati soddisfacenti ma non
ancora definitivi.
TES − Lo sviluppo dei sensori tes e' stato ulteriormente raffinato nelle tecniche di preparazione. E' stata aggiunta la possibilita' di preparare
sensori di solo Ir, oltre ai bilayer Al−Ag, con la tecnica della ablazione laser.
Prevediamo di completare lo sviluppo dell'elettronica alternativa a JFet/trasformatore ad un costo per canale per il front end circa due ordini
di grandezza inferiore a quello di un equivalente a SQUID. Grazie a cio' intendiamo portare il numero di canali dai 30 previsti a 100.
Riteniamo comunque raggiungibile un numero di circa 300 canali.
Limiti al numero di canali sono essenzialmente dovuti alla quantita' di discendenti nel criostato, che potrebbero essere incompatibili con i
limiti di conduttanza termica.
Raggiunta tale configurazione intendiamo procedere all'inizio delle misure.
Anno
Missioni Missioni
2000
2001
2002
TOTALE
Mod EC. 5
In kEuro
Affitti e
Materiale
Materiale Costruz.
Trasp. e Spese
TOTALE
Manut.
di
inventar. apparati
Facch. Calcolo
Apparec.
consumo
2.0
2.0
3.0
4.5
5.5
16.5
50.0
85.0
52.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
14.0
147.0
0.5
0.0
203.5
93.0
85.5
7
26.5
187
0
0
0
14
147.5
382
Codice
Esperimento
MANU2
NUCLEARE
Gruppo
2
PREVISIONE DI SPESA
In KEuro
ANNI
Miss.
Miss.
2004
TOTALI
Mod EC./EN. 6
4.5
11.5
75
4,5
11,5
75,0
0
0
Affitti e
Manut.
Appar.
0
Mater.
inventar
Costr.
appar.
TOTALE
Compet.
35
145
271.0
35,0
145,0
271,0
Codice
Esperimento
MANU2
Struttura
GE
Gruppo
2
N
1
2
3
4
5
6
7
8
RICERCATORE
Cognome e Nome
Qualifica
Dipendenti
Incarichi
Affer.
al
. gruppo
%
5
2
2
2
2
2
2
2
20
100
40
30
20
50
100
100
N
Ric.
BALERNA A.
GALLINARO Gaetano
GATTI Flavio
MAURIZIO Chiara
MOBILIO S.
PERGOLESI Daniele
RIBEIRO GOMES Maria
ZZc
P.A.
P.A.
Bors.
P.O.
Dott.
Bors.
Bors.
TECNOLOGI
Cognome e Nome
Qualifica
Incarichi
Ass.
Ruolo Art. 23
Tecnol.
Dipendenti
N
TECNICI
Cognome e Nome
0
0
Qualifica
Incarichi
Dipendenti
Ruolo
Art. 15
Collab.
tecnica
Annotazioni:
SERVIZI TECNICI
Denominazione
mesi−uomo
1.0
2.0
1.0
Mod EC./EN. 7
%
Assoc.
tecnica
1 BEVILACQUA Adriano CTer.
2 PARODI Luigi
CTer.
%
20
100
2
1.2
Codice
Esperimento
MANU2
NUCLEARE
Gruppo
2
Data
completamento
Descrizione
30/06/2003
Completamento installazione ed inizio acquisizione di test
01/10/2004
Inizio acquisizione dati
Mod EC./EN. 8
Codice
Esperimento
Gruppo
NEMO−RD
2
Rapp. Naz.: Emilio Migneco
NUCLEARE
Emilio Migneco
LNS
Neutrino Astronomy
Linea di ricerca
Stazione di Prova Sottomarina, LNS
Laboratorio ove
Capo Passero
Sigla dello
esperimento
assegnata dal
laboratorio
Acceleratore usato
Fascio
(sigla e
caratteristiche)
Rivelazione di neutrini di alta energia
Proprietà ottiche ed oceanografiche delle acque profonde
Processo fisico
studiato
Apparato
strumentale
utilizzato
Stazione di Prova Sottomarina, LNS
Apparati per la caratterizzazione delle proprietà ottiche ed oceanografiche dei siti
Bari, Bologna, Cagliari, Catania, Genova, G.C. Messina, LNF, LNS, Roma 1
all'esperimento
Istituzioni esterne
Ist. Naz. per l'Oceanografia e la Geofisica Sperimentale, Trieste
Ist. Sperimentale Talassografico CNR, Messina
Ist. di Biologia del Mare CNR, Venezia
Collaborazione ANTARES
2001−2005
Durata esperimento
Mod EC. 1
Struttura
GE
Codice
Esperimento
NEMO−RD
Resp. loc.: M. TAIUTI
Gruppo
2
In KEuro
IMPORTI
VOCI
DI
SPESA
Parziali
SJ
2 meeting di collaborazione x 3 gg. x 4 persone (0.9 x pers.)
7.0
5 technical board x 2 gg. x 2 persone (0.8 x pers.)
8.0
contatti con ditte per guide di luce
2.0
Viaggi al CERN per contatti con C. Joram x deposizione fotocatodo
2.0
Totale Compet.
SJ
17.0 0.0
2.0 0.0
1 Benthos sfera di riserva
1.0
1 Guida di luce di riserva
1.0
2.0 0.0
Trasporti a Catania x test finali di risposta luminosa
3.0
3.0 0.0
Consorzio
Ore CPU
Spazio Disco
Cassette
Altro
0.0 0.0
0.0 0.0
1 pc per run simulazioni Montecarlo
2.0
Dischi storage risultati simulazioni
2.0
Modulo ottico con 4 PMT da 5"
17.0
Modulo ottico con matrice di PMT esagonali
17.0
Sorgente di luce calibrata
10.0
Totale
4.0 0.0
44.0 0.0
72.0 0.0
Mod EC./EN. 2
A cura della
Comm.ne
Scientifica
Nazionale
Struttura
GE
Codice
Esperimento
NEMO−RD
Gruppo
2
Missioni interne: i technical board previsti sono 7, ma 2 verranno fatti in concomitanza dei meeting di collaborazione;
pertanto le spese sono gia' incluse nella voce relativa.
Costruzione apparati:
− dettaglio costo modulo ottico con 4 PMT da 5"
Benthos sfera 1 K€
Guida di luce 1 K€
4 PMT 10 K€
Alimentatori HV 2.5 K€
mu−metal + grasso ottico + consumo vario 2.5 K€
− dettaglio costo modulo ottico con PMT esagonali
Benthos sfera 1 K€
Guida di luce 1 K€
PMT esagonali 10 K€
Alimentatori HV 2.5 K€
mu−metal + grasso ottico + consumo vario 2.5 K€
− Materiale Inventariabile
Il gruppo di Genova possiede un cluster di 8 pc doppio processore acquistati con
l'esperimento AIACE ed utilizzati per simulazioni ed analisi dati. Il cluster ha un'eta' superiore ai quattro anni, e le
machcine iniziano a rompersi. E' stata fatta richiesta in CIII per la sostituzione parziale delle macchine e la richiesta
presente serve ad integrare la potenza di calcolo e rinnovare il parco macchine esistente.
Struttura
GE
Codice
Esperimento
NEMO−RD
Gruppo
2
Codice
Esperimento
Gruppo
NEMO−RD
2
NUCLEARE
In KEuro
di cui SJ
BA
BO
CT
GE
LNF
LNS
ME
RM1
TOTALI
20,0
7,0
36,0
17,0
16,0
40,0
6,0
59,0
201,0
Materiale
di cons.
di cui SJ
8,0
24,0
2,0
26,0
3,0
25,0
88,0
di cui SJ
4,0
8,0
15,0
2,0
21,0
100,0
Trasp.
e Facch.
di cui SJ
Spese
Calc.
di cui SJ
Affitti e
Manut.
Appar.
di cui SJ
Mater.
inventar.
di cui SJ
5,0
Costr. appar.
di cui SJ
31,0
8,0
4,0
7,0
3,0
2,0
17,0
167,0 8,0 5,0
76,0
44,0
12,0
5,0
30,0
290,0
10,0
42,0
12,0
51,0
493,0
A
carico
di altri
Enti
TOTALE
Compet.
di cui SJ
68,0
15,0
151,0
72,0
46,0
456,0
24,0
185,0
0,0
8,0 0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
1017,0 8,0
Note:
Mod EC./EN. 4
Codice
Esperimento
Gruppo
NEMO−RD
2
NUCLEARE
Vedi relazione allegata
Vedi relazione allegata
Anno
Missioni Missioni
In kEuro
Materiale
Affitti e
Trasp. e Spese
Materiale Costruz.
di
Manut.
TOTALE
Facch. Calcolo
inventar. apparati
consumo
Apparec.
2001
2002
2003
64.5
78.5
126.0
26.0
60.5
35.5
63.0
130.5
144.5
2.5
0.0
10.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
16.5
16.5
22.5
2.5
0.0
95.0
175.0
286.0
338.5
TOTALE
269
122
338
12.5
0
0
55.5
97.5
799.5
Mod EC. 5
Esperimento NEMO-RD
Relazione sull’attività 2003
Studio dei siti
Nei primi mesi del 2003 è stata effettuata una campagna oceanografica a Capo Passero in
collaborazione con i colleghi di ANTARES, durante la quale è stata:
-
effettuata la manutenzione (recupero, download dei dati e riposizionamento) della catena
correntometrica e della trappola per sedimenti;
-
posizionata una catena con la strumentazione di NEMO e di ANTARES per la misura a
lungo termine del rumore di fondo ottico;
-
posizionata una catena con la strumentazione di ANTARES per la misura del biofouling.
Nei restanti mesi del 2003 sono programmate altre tre campagne:
-
luglio, per il recupero della catena per la misura del rumore di fondo ottico e il download
dei dati dalla superficie con modem acustico della catena per il biofouling, il
posizionamento della catena per il background ottico sul Test Site di Catania e
l’esecuzione di una serie di misure su capo passero con l’AC9 e NERONE;
-
settembre, per la manutenzione della catena correntometrica ed il recupero della catena
per il biofouling;
-
novembre-dicembre, per l’esecuzione di una serie di misure su capo passero con l’AC9,
DEWAS e NERONE.
Attività delle Sezioni
Bari
Relativamente agli sviluppi R&D tanto per il telescopio per neutrini km3 quanto per la
realizzazione del prototipo di torre da installare al test site di Catania (NEMO-Fase 1), il
gruppo di Bari si occupa del problema della calibrazione temporale dell'apparato.
Nel 2003 si è dato inizio ad uno studio preliminare per definire le caratteristiche generali del
sistema di sincronizzazione dell’apparato.
Bologna
Relativamente all’elettronica, dopo avere progettato il modulo DTPU (Data Transfer&Pack
Unit) implementato per ora su una FPGA, progettato e realizzato una PCB che è stato poi
usato per testare, secondo le specifiche di progetto, la DTPU, il gruppo ha partecipato a tutte
le discussioni sull'evoluzione del progetto NEMO-RD, modificando la DTPU in relazione ai
cambiamenti che stanno avvenendo.
Relativamente alle attività di software è proseguito il lavoro di simulazione degli sciami
atmosferici in stretta collaborazione con il gruppo dei Laboratori Nazionali del Sud. In
NEMO-RD, allegato preventivi 2004, Relazione sull’attività 2003
1/1
particolare e' iniziato un lavoro di confronto tra il fondo dovuto ai muoni atmosferici in siti a
profondità diverse (2400 e 3400 m).
Catania
Ricordiamo che a Luglio del 2002 è stato eseguito il trasloco del Dipartimento dai vecchi
locali al nuovo Dipartimento nella cittadella Universitaria. Questo fatto ha comportato una
serie di problemi con ripercussione sulle attività del gruppo. Le strutture delle quali ci si
serviva hanno avuto differenti tempi per essere operative: la camera pulita è in funzione da
questo mese; il servizio di Elettronica non è ancora in grado di funzionare; il servizio
Rivelatori, con molte difficoltà, è operativo dalla fine del 2002, l'officina meccanica è in
funzione soltanto da un paio di mesi; il centro di Calcolo è ancora in allestimento anche se le
principali funzioni sono disponibili già da tempo. L'impianto elettrico complessivo dei
laboratori di NEMO, ANTARES e di Microelettronica è stato rifatto a spese del gruppo
perché la loro inadeguatezza produceva frequenti interruzioni delle alimentazioni. Alcune
attrezzature, ad esempio ECLAPS, non sono ancora operative. E’ stato necessario realizzare,
sempre a spese del gruppo, un cluster con una rete locale privata per le macchine su cui gira
CADENCE perché i pacchetti potessero girare nella rete senza collidere con quelli dell'intera
rete del dipartimento. Ora il sistema è ottimizzato ed è indipendente dalla rete complessiva. E’
anche possibile continuare a lavorare anche se la rete esterna cade. Inoltre è stato inserito un
fire-wall a protezione della sottorete.
Microelettronica
Nel 2002, prima del trasloco, era stata inviata in fonderia una versione del Chip LIRA
comprendente un PLL, un T&SPC ed una memoria analogica, tutte testabili separatamente.
Inoltre nello stesso chip è stata inserita la versione integrata di LIRA con due banchi di
memoria analogica di 3 righe da 256 celle ciascuna che dovrebbe essere il prototipo testabile
di LIRA. Per i problemi relativi alle continue cadute della alimentazione di rete la scheda di
test è stata progettata in tempi lunghi e malgrado LIRA fosse arrivata a Settembre i risultati
definitivi del test completo si sono avuto soltanto a marzo del 2003. Eseguiti i test del T&SPC
con esito positivo, anche la parte relativa al suo aggiornamento e cioè la parte relativa allo
Slow Control comprentende DAC, flip-flop e unità logica di intefacciamento è o.k. Il test
della parte di sampling è abbastanza soddisfacente. Tuttavia sia il gain che lo slew-rate
dell'amplificatore di lettura sono eccessivamente bassi. Ciò è dovuto alla capacità parassita
eccessiva dei due rail sui quali viaggiano i segnali in lettura. Il PLL è composto da diverse
parti; tutte sembrano funzionare bene tranne quella che permette di variare la frequenza di
moltiplicazione. Questa non permette l'aggancio a 200 MHz, ma in modo differente dal
previsto a frequenze diverse. Il risultato complessivo del test è che si è reso necessaria un a
nuova iterazione del chip. Il progetto ha previsto un nuovo disegno del T&SPC con un
diverso Layout al solo scopo di risparmiare silicio e quindi costi. La memoria analogica è
stata ridisegnata spezzettando i rail in quattro parti per diminuire le capacità parassite e,
quindi, per migliorare gain e tempo di lettura. Inoltre è stato migliorato lo switch di sampling.
IL PLL è stato ridisegnato sostanzialmente modificando la parte relativa all'aggancio. Il chip è
stato inviato in fonderia a fine giugno e sarà disponibile soltanto a Settembre. Ricordiamo che
il costo del chip AMS è levitato e che LIRA è ben superiore ai 10 mm2 minimi, per cui ogni
RUN viene a costare, IVA compresa, qualcosa come 8 k€. Inoltre la scheda di test,
generalmente multilayer è molto costosa ed è quasi sempre diversa perchè deve essere
adattata al chip da testare.
2/2
A settembre sarà necessario procedere ai test del Chip. Presumibilmente i risultati dei test si
avranno a fine anno.
DEWAS
Per quanto riguarda le misure dei Siti con DEWAS bisogna fare presente che nel viaggio di
ritorno da Tolone l’apparato si è danneggiato. A parte delle piccole ammaccature sulla pur
robusta carrozzeria si sono avuti danni anche alla parte di movimentazione ed all'elettronica.
Si è proceduto, quindi allo smontaggio di DEWAS e, approfittando della sua apertura, anche a
una serie di modifiche molto importanti al fine di migliorarne il comportamento. Alcune
modifiche sono relative all'ottica, ma la maggior parte all'elettronica.
Si è riscontrato che quando il fascio si avvicinava ai bordi delle finestre le misure assumevano
strani profili. Se ne è dedotto che esso era eccessivamente largo dando luogo ad effetti di
bordo. Si è quindi proceduto ad impiantare una finestra che ne limita le dimensioni ad una
fessura di circa 1 x 7 mm2. Inoltre si sta lavorando alla sostituzione dell'oblò in plastica, che
maschera molto le misure, con uno in quarzo, come originariamente previsto. Si è adottato, su
suggerimento degli Ingegneri Meccanici del LNS una struttura di contenimento del quarzo
con due calotte di acciaio e una resina impregnate. Un primo cristallo si è spezzato in fase di
montaggio. Un secondo cristallo è stato montato in un fantoccio, a 350 Atm e testato in
camera iperbarica. Sottoposto a più immersioni non ha retto, incrinandosi, per cui un po' di
acqua è riuscita a filtrare attraverso l'incrinatura. Bisogna rifare aggiustando le conchiglie di
contenimento e migliorando l'impregnazione del quarzo con la resina. Sono stati acquistati
altri 2 cristalli. Un'altra modifica consiste nell'inserire in una posizione opportuna della
finestra centrale un filtro grigio sufficiente per potere misurare anche il fascio diretto e così
ottenere non soltanto la misura del profilo di diffusione ma anche il valore assoluto.
Per quanto riguarda le modifiche elettroniche esse sono relative alla sorgente. La dinamica
della luce emessa dai LED è stata incrementata di circa un fattore 30. Sia aumentando da
massima luce disponibile che è stata potenziata iniettando una corrente maggiore dei LED, sia
diminuendo la minima. In questo modo ci si aspetta di ottenere misure con migliore
risoluzione ad angoli alti e di potere misurare anche ad angoli molto piccoli.
Per quanto riguarda DEWAS, quindi, resta da rifare l'oblo e le necessarie calibrazioni con le
sferette di latex per poterlo, quindi, usare durante le campagne del 2004.
Dark Room: ECLAPS
La Dark Room per la caratterizzazione di PMT e Moduli ottici è stata completamente
smantellata per il trasporto in quanto, a causa delle sue dimensioni (cubo da 1.5 m di lato) non
passava intera dalle aperture. Il locale in cui istallarla sarà pronto a Luglio e solo allora si
potrà procedere a rimontarla.
Il sistema d'acquisizione con cui operava è obsoleto e si basava sull'uso di schede
d'acquisizione che possono essere montate soltanto su vecchi 486. Pertanto si sta provvedendo
a rifarlo interamente. E’ stato acquistato un Pentium IV ed una scheda d'acquisizione moderna
dotata di due canali con Banda passante 150 MHz e 200 Msample/sec. Si sta procedendo alla
sua istallazione ed alla costruzione del codice di controllo della scheda e di acquisizione dei
segnali del PMT. Si ricorda che le misure da eseguire sui PMT sono di TTS, gain e efficienza
quantica sia punto-punto che complessivi. Le misure saranno poi eseguite una volta montato il
Modulo Ottico. Per questo il sistema deve essere dotato di intelligenza e di capacità di
automazione. In pratica bisogna che sia in grado di rifare ciò che faceva prima ma con il
3/3
nuovo sistema d'acquisizione. In più bisogna istallare anche la nuova sorgente di luce ed il
monocromatore controllato dal computer con il quale si eseguono le misure di efficienza
quantica. Questo sistema dal costo di circa 22 kEuro è stato acquisito con altri fondi
Banco per l’assemblaggio dei moduli ottici
Si sta costruendo un banco per il montaggio dei Moduli ottici. Si è realizzato un contenitore di
plexiglass di spessore 4 cm, un cubo di circa 70 cm di lato. Esso è provvisto di una pompa che
realizza il vuoto per facilitare il montaggio delle sfere Bentos. E’ stato acquisito un trapano ad
ultrasuoni per realizzare il foro di passaggio del connettore nella sfera di vetro.
Moduli Ottici
Si sta testando una base attiva commerciale per l'alimentazione HV dei PMT. Sono stati
acquistati diversi PMT di grande area e si sta provvedendo al montaggio di tre OM che
avverrà entro l'anno. Si sono acquistate alcune modeste quantità di diversi tipi di gel ottici per
testarne le proprietà ai fini della scelta finale anche in vista del montaggio. Ciò avverrà entro
l'anno.
Camera iperbarica
E’ stata istallata la Camera Iperbarica al Test Site. E’ stato eseguito il collaudo ed è stata già
usata in diverse occasioni dalla collaborazione, ad esempio per testare connettori sottomarini,
l'oblo di Dewas e parti di NERONE.
Genova
I materiali necessari per la realizzazione del fotomoltiplicatoe ibrido, finanziati per il 2003
sono stati acquistati e sono già disponibili presso il laboratorio del gruppo a Genova.
E’ stato allestito e collaudato il forno per riscaldare il bulbo. Si tratta di una scatola in legno
coibentata e rifasciata all’interno in alluminio per ottimizzare la diffusione del calore
all’interno. La lettura della temperatura all’interno del forno avviene in otto punti mediante
termocoppie collegate a LabView. E’ stata raggiunta la temperatura interna di 360°C con una
uniformità di 20°C.
E’ previsto adesso la fase di preparazione con la deposizione di cromo sulle pareti interno del
fototubo non sensibili. Tale deposizione sarà fatta entro la fine del 2003 presso un laboratorio
della sezione di Genova già attrezzato per evaporazione in vuoto e spattering. E’ necessario
per quest’operazione rendere compatibile il fototubo con il sistema da vuoto e di
evaporazione. A tale scopo è necessario l’acquisto di un supporto per l’evaporatore di
lunghezza 50 cm e flangiato CF.
x
x
R
R
4/4
In parallelo è stato studiato un sistema di raccolta di luce in grado di focalizzare su parti
diverse del fototubo ibrido la luce proveniente da direzioni diverse. Tale dispositivo è
necessario per sfruttare al meglio l’informazione fornita dal fototubo sul punto d’impatto del
fotone rivelato. La figura mostra come in presenza
delle guide la luce viene focalizzata su una frazione
della superficie del fotocatodo. Inoltre la luce
raccolta risulta essere maggiore che nel caso del
fototubo semplice.
Tale sistema di guide di luce potrebbe essere
costituito da superfici riflettenti opportunamente
sagomate e da gel ottico per riempire gli interstizi
(vedi figura). Questo tipo di soluzione dovrebbe
ridurre drasticamente i costi di realizzazione. Nella
figura è mostrato il disegno di un prototipo per un
fototubo da 10”, composto di fogli di plexiglas
alluminati su entrambe le superfici.
Sono state fatte delle simulazioni MonteCarlo che mostrano come sia possibile focalizzare la
luce proveniente da direzioni differenti su diversi punti del fotocatodo con efficienza prossima
a 1.
La figura di sinistra mostra come riempiendo gli interstizi l’efficienza del sistema raggiunga
quella del fototubo libero (normalizzato ad 1), mentre quella di destra mostra l’importanza
dell’alluminatura. Le due figure inoltre mostrano che per luce incidente attorno ai 60° la
risposta del sistema è migliore del fototubo semplice come già precedentemente osservato.
Infine l’efficienza di raccolta della luce non dipende dall’inclinazione delle pareti delle guide
di luce. Tale inclinazione influenza invece l’accettanza angolare della singola guida.
E’ inoltre in corso la simulazione di un rivelatore sottomarino equipaggiato con questo tipo di
fotomoltiplicatori. Alla fine del primo trimestre di quest’anno abbiamo installato i software di
simulazione di NEMO e di ANTARES ed abbiamo iniziato l’inserimento della descrizione
della funzione di risposta del nostro prototipo.
5/5
LNF
Durante i primi mesi del 2003 abbiamo lavorato a lungo su NERONE.
Nell’ultima campagna erano stati risolti tutti i problemi relativi alla tenuta alla profondità, era
stato testato con successo un nuovo modello di motore che da’ la possibilita’ di contare il
numero effettivo di giri, e di conseguenza la distanza, ed era stato provato il sistema di
acquisizione dati definitivo.
Gli unici problemi rimasti sono quelli relativi all’allineamento del banco ottico, che e’ molto
delicato. Abbiamo apportato svariate modofiche al progetto, per rendere il tutto piu’
riproducinile e piu’ facilmrnte tarabile.
Stiamo finendo gli allineamenti e realizzando un sostegno piu’ solido per l’intero strumento
sulla gabbia di discesa.
L’apparato sarà utilizzato durante la campagna prevista a fine luglio 2003.
LNS
Durante i primi sei mesi del 2003 il gruppo è stato fortemente impegnato nello sviluppo del
progetto di Fase 1, soprattutto per quanto riguarda la parte di progettazione meccanica.
Inoltre ci si è occupati di studiare una nuova soluzione per la costruzione di un’ottica per
DEWAS. Si sono fatte delle simulazioni numeriche per verificare gli stress meccanici cui
verrà sottoposto il cristallo durante la sua vita utile. È stato inoltre costruito un fantoccio di
test con cui verificare la risposta meccanica del sistema senza mettere a rischio l’elettronica
realizzata per il funzionamento dello strumento di misura.
E’ stata completata la progettazione dei telai in titanio per la terminazione del cavo elettroottico del Test Site. Questi telai sono stati progettati tenendo conto delle caratteristiche
meccaniche del cavo, delle caratteristiche di una nave individuata come possibile candidata
per svolgere le operazioni di recupero e terminazione del cavo, delle modalità di posa e delle
caratteristiche di un ROV in grado di operare alla profondità di 2000 sotto il livello del mare.
Sono state, inoltre, definite le procedure di posa di queste strutture.
Ci si è anche occupati di progettare le procedure per il deployment dell’apparato per la misura
delle deformazioni di campioni di rocce (CREEP), realizzato dal Rock and Ice Physics
Laboratory dello University College of London. Durante tale attività si è fornito anche un
consistente supporto per il disegno della parte meccanica dell’apparato stesso.
Meccanica della torre
Tale attività ha avuto come obiettivo un ulteriore affinamento delle analisi tecniche portate
avanti nel corso dei due anni precedenti. In particolare ci si è occupati di:
•
studiare in modo più puntuale le modalità di fissaggio dei moduli ottici all’interno delle
strutture di sostegno;
•
studiare la possibilità di realizzare autonomamente ed in modo estremamente economico
dei connettori sottomarini che possano svincolare la collaborazione dall’acquisto di
prodotti commerciali non sempre adatti alla specificità della ricerca scientifica. Sono stati
realizzati e testati in camera iperbarica (a 350 atmosfere di pressione) dei prototipi che si
sono comportati ottimamente;
6/6
Junction Boxes
E’ stato eseguito il progetto di massima della Junction Box compensata in olio. In particolare
si è proceduto al dimensionamento del contenitore in pressione e alla scelta degli elementi che
la compongono (trasformatore, cavi, connettori, switch box, compensatore, ecc.). Inoltre si è
proceduto alla definizione del lay-out interno di tutti i componenti, per poter dimensionare il
contenitore esterno in vetroresina che accoglierà le parti sopra descritte. Per eseguire il
deployment della junction box è stato progettato un frame esterno in titanio per sorregge il
recipiente in vetroresina durante le operazioni di posa o recupero.
Sistema di distribuzione della potenza
E’ stato condotto lo studio del sistema elettrico di potenza di NEMO e, successivamente, di
NEMO Fase 1, con particolare attenzione: all’ottimizzazione dei sistemi di trasmissione e
distribuzione dell’energia elettrica, di protezione dai guasti, di riconfigurazione della rete
elettrica di potenza in caso di guasto. Inoltre, è stata condotta l’analisi del sistema di controllo
dedicato al sistema elettrico di potenza di NEMO Fase 1. Nell’ambito della progettazione si è
posta particolare attenzione alla scelta di criteri e metodologie utili a: minimizzare le perdite e
le cadute di tensione del sistema elettrico di potenza, minimizzare gli ingombri, migliorare
l’affidabilità e minimizzare i costi.
Software
E’ stato intrapreso un lavoro di simulazione della risposta del rivelatore sia rispetto al
processo fisico in esame (neutrini astrofisici) che rispetto ai parametri ambientali dei siti
proposti.
Uno degli scopi del lavoro di simulazione è la stima degli effetti delle caratteristiche del sito,
quali il rumore ottico di fondo (40K e bioluminescenza), la lunghezza di attenuazione
dell’acqua e la profondità, sulle prestazioni del rivelatore (aree efficaci e risoluzione
angolare). In particolare sono stati messi a confronto i parametri ambientali del sito scelto
dalla collaborazione ANTARES presso la costa di Tolone (Francia) ed il sito scelto dalla
collaborazione NEMO presso la costa siciliana di Capo Passero. Inoltre, in collaborazione con
la sede di Bologna, si stanno effettuando delle simulazioni riguardanti la stima del contributo
del fondo di muoni atmosferici per apparati posti alle due differenti profondità (2400m il sito
presso Tolone e 3400m il sito di Capo Passero). La stima dei flussi di muoni atmosferici
rivelati e la capacità di ricostruzione della traccia di tali muoni sono di particolare importanza
per stimare la capacità di osservazione di neutrini di alta energia provenienti da sorgenti
extragalattiche di un apparato sottomarino del tipo KM3. Tali lavori ancora in via di
svolgimento.
Messina
Sono stati realizzati tre prototipi di gabbie di mu-metal atti alla schermatura del campo
magnetico terrestre all’interno dei moduli ottici e sono in corso i primi test di
caratterizzazione i cui risultati preliminari appaiono più che soddisfacenti, indicando una
attenuazione del campo magnetico esterno del 70%.
E’ proseguito il lavoro di simulazione della risposta del rivelatore km3 a flussi di neutrini da
SuperNovae.
7/7
Roma 1
L'anno corrente è dedicato all'aggiornamento del sistema di acquisizione dei dati, del sistema
di concentrazione/deconcentrazione e del sistema di interfacciamento dello slow control. I
dispositivi citati sono stati messi a punto lo scorso anno immaginando, per il loro impiego,
uno scenario con contorni ancora non definiti. In questo modo si è potuto progettare dei
moduli la cui filosofia fosse, comunque, valida.
Dall'inizio di quest'anno l'esperimento stà assumendo connotati sempre più definiti e quindi è
necessario ritoccare i vari progetti per renderli compatibili con le strutture (hardware e
software) che li ospiteranno. Vista la delicatezza dei circuiti in gioco e la complessità del
firmware, operante essenzialmente in tempo reale, gli aggiustamenti da apportare ben
giustificano una seconda “release” di tutti i dispositivi in oggetto.
8/8
Esperimento NEMO-RD
Programma di attività 2004
Progetto NEMO Fase 1
Come indicato nelle richieste di finanziamento per il 2003 il progetto NEMO-Fase 1 si pone
l’obiettivo di validare le scelte tecniche per la realizzazione di un rivelatore Cherenkov
sottomarino per neutrini di alta energia da 1 km3. A tal fine il progetto prevede la
realizzazione di un dimostratore tecnologico, che include tutti gli elementi critici del sistema,
da installare al largo delle coste di Catania ad una distanza di circa 25 km dalla costa.
Per la realizzazione di questo progetto la Collaborazione NEMO ha approntato e presentato al
MIUR due richieste di finanziamento rispettivamente su:
-
Bando PON 68/2002 – Progetto LAMS
-
Decreto Direttoriale 1105 del 13.12.2002 – Progetto SIRENA
Progetto LAMS – Bando PON 68/2002
Il progetto è stato approvato dal MIUR con decreto direttoriale 11.10.2002 prot. N.
1366/Ric/2002 per un importo complessivo di € 4.474.512,72.
Il progetto prevede un finanziamento così suddiviso:
-
€ 3.000.000 come finanziamento del MIUR;
-
€ 1.474.512,72 come cofinanziamento dell’INFN.
L’obiettivo del progetto è la realizzazione di un laboratorio multidisciplinare sottomarino. Il
laboratorio sarà costituito da:
-
Stazione di terra per la gestione del laboratorio completa di laboratori di elettronica,
meccanica, sistema di alimentazione e sistema di acquisizione ed elaborazione dei dati;
-
Cavo elettro ottico sottomarino di lunghezza pari a circa 25 km. Il cavo è costituito nella
parte NEMO da 6 fibre ottiche monomodali G652 e da 4 conduttori elettrici.
-
Laboratorio sottomarino costituito da 3 junction box (una principale e due secondarie)
connesse ad anello mediante dei cavi elettro ottici con connettori di tipo ROV operabili.
Il progetto, iniziato ufficialmente nel marzo del 2003 dovrà essere completato in 24 mesi. Il
completamento del laboratorio prevede la realizzazione dei sottosistemi, il deployment delle
Junction box ed il loro collegamento sul fondo del mare.
Nell’ambito del LAMS le spese che per il MIUR risultano eleggibili sono:
-
Spese tecniche (progettazione, direzione lavori, collaudo, ...)
-
Opere edili ed impianti tecnologici;
-
Acquisto di attrezzature e strumentazioni scientifico – tecnologiche, inclusi gli oneri
accessori (dazi, trasporto, ..)
NEMO-RD, allegato preventivi 2004, Programma di attività 2004
1/1
-
Realizzazioni di reti di collegamento tra apparecchiature di laboratorio e/o reti di
collegamento tra diverse strutture scientifiche e/o di alta formazione;
-
Prestazione di terzi per consulenze scientifiche e applicazioni tecnologiche;
-
Costi specifici di progetto (publicazioni bandi di gara, ...)
Non sono ammesse quote per spese generali (comprese spese di missioni) e/o spese di
personale.
Per i progetti selezionati già in corso di attuazione, sono ritenuti ammissibili costi già
sostenuti a partire dal 1 gennaio 2000.
Il progetto deve essere completato entro 24 mesi dall’approvazione del finanziamento.
Progetto SIRENA – Decreto Direttoriale 1105.
Il progetto SIRENA prevede la progettazione e realizzazione di due torri modello NEMO, la
loro installazione agganciate al Laboratorio LAMS e la contemporanea formazione di
personale interno ed esterno.
Il progetto SIRENA prevede al momento della presentazione un finanziamento così
suddiviso:
-
€ 1.800.000 finanziamento MIUR;
-
€ 500.000 cofinanzimento INFN.
Il progetto è al momento nella prima fase istruttoria da parte dei valutatori del MIUR. Si
prevede il completamento dell’istruttoria per la fine del 2003 ed un’eventuale erogazione del
finanziamento non prima dei primi mesi del 2004. La procedura del bando cui afferisce
SIRENA è una procedura negoziale, questo implica che in caso di mancanza di fondi o non
sufficienza degli stessi in funzione del numero di progetti presentati ed approvati, il MIUR
potrebbe richiedere una rimodulazione economica del progetto stesso entro determinati
parametri.
L’obiettivo del progetto è, come detto, la realizzazione di tue torri modello NEMO
instrumentate con:
-
moduli ottici;
-
sensori ambientali;
-
sistema di posizionamento;
-
sistema di trasmissione dati;
-
sistema di distribuzione della potenza.
Nel progetto è incluso il deployment ed il collegamento delle torri con il laboratorio
sottomarino LAMS.
Il progetto è previsto che venga completato in 2,5 anni dalla data di finanziamento.
2/2
Organizzazione del progetto NEMO Fase 1
Nell’ambito del progetto NEMO Fase 1 si è ritenuto opportuno definire una organizzazione
interna al fine di garantire nel miglior modo possibile il raggiungimento degli obiettivi nei
limiti di budget e di tempo previsti ed imposti dai bandi di finanziamento.
Nella struttura organizzativa, in funzione dei differenti sottosistemi che dovranno essere
realizzati ed anche in funzione delle risorse di personale e professionisti a disposizione si è
deciso di individuare:
-
Sottoprogetti;
-
Macro aree.
I sottoprogetti rappresentano i sottosistemi del progetto NEMO Fase 1 e sono (tra parentesi i
responsabili di ciascun sottoprogetto):
-
Torre (G. Raia, LNS);
-
Junction Box (S. Cuneo, Genova);
-
Modulo di controllo di piano (V. Russo, Catania);
-
Laboratorio di Terra (P. Piattelli, LNS);
-
Moduli Ottici (S. Aiello, Catania);
-
Slow Control (A. Rovelli, LNS).
Per ogni sottoprogetto è stato individuato un responsabile con il compito di coordinare le
azioni delle diverse aree di intervento sotto descritte e di far si che gli obiettivi progettuali e
realizzativi si attuino nei tempi e nei budget preventivamente indicati.
Le macro aree di intervento rappresentano le attività di progettazione e realizzazione proprie
suddivise in (tra parentesi i responsabili di ogni macro area):
-
Meccanica (G. Raia, LNS);
-
Trasmissione dati (M. Bonori, Roma);
-
Potenza (G. Raia, LNS);
-
Sistema di posizionamento (N. Randazzo, Catania);
-
Sensori ambientali (T. Capone, Roma);
-
Sincronizzazione (M. Circella, Bari);
-
Cavi e connettori (M. Sedita, LNS).
Ogni sottoprogetto ha coinvolto al suo interno un certo numero di macro aree in funzione
della attività che è necessario portare a compimento.
Il management del progetto è così costituito:
-
Responsabile del progetto (Prof. E. Migneco, LNS);
-
Responsabile Amministrativo (Rag. C. Vittorio, LNS);
-
Coordinatore Tecnico (R. Papaleo, LNS);
-
Institution Board, composto dal responsabile del progetto e dai rappresentanti delle
sezioni coinvolte;
3/3
-
Technical Board, composto dal responsabile del progetto e dai responsabili dei
sottoprogetti e macro aree.
Responsabile del Progetto
E. Migneco
Collaboration Board
Responsabile Amministrativo
C. Vittorio
INFN
Publication Committee
Coordinatore Tecnico
R. Papaleo
Technical Board
Responsabili Macro Aree
Responsabili Sottoprogetti
Attività previste per il progetto NEMO-FASE1
Come già menzionato, per il progetto SIRENA, che prevede la realizzazione di due torri
NEMO di 16 piani completamente instrumentate, si prevede che la fase di valutazione sia
completata non prima della fine del 2003. In caso di approvazione completa o parziale del
progetto, basandosi sull’esperienza del progetto LAMS, si stima che i finanziamenti possano
essere erogati non prima di maggio-giugno 2004. Con questo piano di sviluppo temporale il
progetto dovrebbe vedere il completamento verso la fine del 2006.
La complessità delle operazioni di assemblaggio, deployment e connessione di una torre di 16
piani rende indispensabile procedere attraverso una fase di test con un sistema ridotto. La
collaborazione intende procedere alla realizzazione di una torre di 4 piani equipaggiata di
moduli ottici, sensori ambientali, sistema di posizionamento acustico ed elettronica di readout
e trasmissione dati. Si prevede di installare questa mini-torre a metà 2005, contestualmente
con le operazioni di deployment delle Junction Boxes del progetto LAMS, contenendo così i
costi delle operazioni a mare.
Le richieste finanziarie 2004-2005 fanno riferimento in gran parte a questa attività. È da
sottolineare che, dal momento che la torre di quattro piani dovrà essere realizzata entro i primi
mesi del 2005, la quasi totalità delle spese per la sua realizzazione ricade sui finanziamenti
2004.
Per quanto riguarda le riunioni di coordinamento del progetto, per il 2004 sono previsti due
Meeting della Collaborazione (di cui uno si terrà ai LNS ed un altro in altra sede delle
4/4
collaborazione ancora da definire), più cinque meeting del Technical Board e due
dell’Institution Board.
Studio dei siti
Nel 2004 continueranno le misure di sedimentazione, delle correnti sottomarine, delle
proprietà di trasporto della luce Cerenkov nel sito abissale, del rumore ottico, della possibile
riduzione di trasparenza delle sfere che racchiudono i moduli ottici a causa del biofouling.
Alcune misure (sedimentazione, correnti, rumore ottico dovuto a cause naturali), che sono da
considerarsi ormai “di routine”, richiedono il posizionamento ed il recupero periodico di
strumenti che rimangono in acqua per almeno sei mesi.
Altre misure, quali lo studio della dipendenza stagionale delle proprietà ottiche di
assorbimento ed attenuazione dell'acqua abissale, richiedono l'immersione di strumenti (AC9)
a diversa profondità e l'acquisizione dei dati in funzione della profondità stessa. Nel 2004
contiamo di attuare misure delle proprietà di diffusione della luce in acqua (DEWAS,
realizzato dalla Sezione di CT) e di utilizzare in situ il dispositivo NERONE (realizzato da
LNF e dalla Sezione di Ca) per la misura “assoluta” della lunghezza di attenuazione in acqua.
Nel 2004 sono previste quattro campagne, tutte da effettuare con la N/O Thetis.
All’attività di studio del sito partecipano le sezioni di Catania, LNF, LNS e Roma 1.
Attività delle Sezioni
Bari
Relativamente agli sviluppi R&D tanto per il telescopio per neutrini km3 quanto per la
realizzazione del prototipo di torre da installare al test site di Catania (NEMO-Fase 1), il
gruppo di Bari si occupa del problema della calibrazione temporale dell'apparato. La capacità
di ricostruzione delle tracce, dunque di puntamento del telescopio, dipende criticamente dalla
qualità delle misure degli istanti di raccolta dei segnali nei moduli ottici. L'impiego di un
sistema di comunicazione e raccolta dati sincrono, quale quello da implementare per NEMOFase 1 basato sul protocollo SDH, permette di porre in relazione di fase i clock locali
utilizzati nei moduli ottici per le misure di tempo. Tuttavia ciascuno di questi clock misurerà
il tempo a partire da un proprio offset determinato dalla sua posizione nell'apparato. Si rende
dunque necessario un sistema di calibrazione che permetta la misura (con accuratezza
dell'ordine del nanosecondo) dei diversi offsets in maniera da poter correttamente riallineare
nel tempo le misure effettuate dai moduli ottici. La soluzione proposta prevede di misurare
separatamente il tempo di propagazione dei segnali tra la stazione a riva e l'elettronica di
acquisizione presente sui singoli piani della torre, nei 'concentratori', e tra questa e i singoli
moduli ottici. La somma di questi due termini costituisce la misura di offset cercata.
Nel corso del 2004 si provvederà alla implementazione delle schede necessarie per questa
doppia misura per poi inserirle all'interno dei 4 concentratori di piano che saranno realizzati
per attrezzare il prototipo di torre di NEMO-Fase 1. In particolare per la misura del ritardo di
propagazione dei segnali tra elettronica di acquisizione e modulo ottico si utilizzerà un LED
di calibrazione che su comando illuminerà simultaneamente i moduli ottici tramite un sistema
di distribuzione su fibra ottica. Occorrerà inoltre dotare la stazione di terra di un TDC di
5/5
elevate prestazioni e della relativa elettronica di controllo per permettere la misura dei tempi
di propagazione dei segnali tra la riva ed i singoli piani della torre.
Bologna
Appena sarà pronta una versione della LIRA si procederà a testare il collegamento LIRA con
la DTPU e successiva trasmissione verso il concentratore e a fare un test completo del
funzionamento della LIRA pilotata dai segnali di controllo generati dalla logica inserita nel
modulo DTPU implementato in una FPGA. Il SW dell'unità DTPU sarà modificato per tenere
conto delle modifiche del progetto in seguito all'evoluzione della meccanica e dell’elettronica
di trasmissione dei dati verso il concentratore. Se necessario, sarà progettata una nuova PCB
che possa ospitare eventuali modifiche (una nuova FPGA o nuovi circuiti integrati) se la
LIRA o le nuove modifiche del progetto lo richiederanno.
Per quanto riguarda le attività di software e simulazione per il prossimo anno il lavoro verrà
continuato aumentando la statistica a disposizione e confrontando diverse metodologie di
ricostruzione delle tracce.
Catania
Una versione finale del chip con tutti i controlli remoti e l'adattamento alla scheda prodotta da
Bologna ed all'elettronica prevista per il concentratore deve essere realizzata. Prevediamo,
un’ultima iterazione ottimizzata, che dovrebbe andare in fonderia verso febbraio ed essere
testata a giugno prossimo. Il costo previsto e di circa 8 k€. La board di test multilayer viene a
costare 2 k€. Dopo il test sarà inserita nella scheda progettata da Bologna per essere impiegata
nel rivelatore.
Le prove ad alta pressione condotte in camera iperbarica per il test dell'oblò di quarzo non
sono molto affidabili in quanto l'attuale sistema, sprovvisto di un efficace sistema di controllo,
non consente una variazione graduale e lenta della pressione, con rischio di sottoporre a shock
il quarzo. È necessario pertanto introdurre un adeguato sistema di controllo computerizzato
per il quale si richiedono un PC con schede d'acquisizione, di interfaccia, di potenza e
software di gestione. La spesa prevista è 15 k€.
Nell’ambito del progetto NEMO Fase 1 la Sezione di Catania si occupa della realizzazione
dei Moduli Ottici. Per il loro assemblaggio sono necessari:
-
sfere in vetro, già disponibili presso i LNS;
-
PMT di grande Area;
-
120 kg di gel ottico;
-
basi attive;
-
connettori sottomarini per alte pressioni;
-
parti meccaniche;
-
schermo magnetici, realizzati da Messina;
-
schede d'acquisizione, fornite da Roma ed in Parte da Catania;
-
fibra ottica per la sincronizzazione;
-
minuteria.
6/6
Per quanto riguarda il banco di montaggio per i moduli ottici serve, per completarlo, un
agitatore, Beckers, contenitori per liquidi, diluenti e pulenti, una bilancia di precisione, dei
supporti meccanici per il posizionamento con precisone di PMT e delle schede di elettronica.
Costo previsto circa 8k€.
Genova
Il gruppo intende completare la realizzazione del prototipo di fototubo sensibile alla direzione
della luce incidente. Per fare questo è necessario l’acquisto di una sorgente di luce blu
calibrata per monitorare on-line la deposizione del fotocatodo. La misura è fondamentale
perché la deposizione del fotocatodo viene fatta ovunque in maniera empirica in quanto non
esistono “ricette” definitive.
In parallelo, all’interno della proposta di instrumentare con fotomoltiplicatori il laboratorio
LAMS, il gruppo intende proseguire nella linea di sviluppo dei fotomoltiplicatori sensibili alla
direzione della luce. Poiché non saremo i grado di realizzare una linea di produzione in tempi
brevi, vorremmo provare soluzioni alternative realizzate con fototubi di serie. Ci proponiamo
di realizzare due moduli ottici completi, uno contente 4 fototubi da 5” e l’altro una ventina di
fototubi esagonali più piccoli (questa seconda soluzione ci è stata proposta dalla Photonis e
richiederebbe l’utilizzo di fototubi di bassissimo costo). In entrambi i casi i fototubi
verrebbero accoppiati ad apposite guide di luce. Poiché tutti i materiali necessari sono a
catalogo il costo di ogni singolo modulo è stato stimato in 17 k€ (1k€ Benthos sfera, 1k€
guida di luce, 10 k€ i fotomoltiplicatori, 2.5 k€ partitori di tensione ed alimentatori –
necessaria la conversione da bassa ad alta tensione – 2.5 k€ grasso ottico e materiale di
consumo vario). Una volta realizzati i moduli ottici verranno testati a Catania presso la
facility della Sezione.
LNF
Il programma prevede l'ingegnerizzazione di NERONE in modo da renderlo più semplice,
economico ed affidabile, sfruttando l'esperienza fatta con l'attuale progetto.
LNS
Il gruppo è fortemente impegnato nelle attività del progetto NEMO Fase 1, in particolare nel
progetto LAMS per il quale ha diversi ruoli di coordinamento. Entro la fine del 2004 saranno
realizzati tutti i principali componenti del progetto LAMS: junction boxes complete di sistema
di trasmissione dati e potenza; stazione a terra con relativa parte del sistema di trasmissione
dati.
Nel corso del 2004 si procederà alla progettazione esecutiva e realizzazione della struttura
meccanica della torre di quattro piani.
Inoltre il gruppo continuerà a partecipare alle attività di studio del sito.
Proseguirà l’attività di simulazione con particolare riguardo alla stima degli effetti delle
caratteristiche del sito (trasparenza dell’acqua, rumore di fondo ottico, profondità, …).
7/7
Messina
Il gruppo di Messina parteciperà alla realizzazione dei Moduli Ottici per il progetto NEMO
Fase 1 realizzando e testando le gabbie in mu-metal. Inoltre si procederà alla caratterizzazione
dei PMT e si parteciperà all’assemblaggio dei moduli ottici presso la Sezione di CT.
L’attività software proseguirà con l’affinamento dei codici di simulazione utilizzati per la
valutazione della risposta di un rivelatore Cherenkov sottomarino a flussi di neutrini originati
da diverse sorgenti cosmiche.
Roma 1
L’attività si concentrerà nella realizzazione del programma di lavoro relativo a NEMO-Fase1.
Tale attività vede la sezione di Roma attualmente impegnati su più fronti:
-
per l’attuazione del progetto LAMS;
-
per la progettazione e realizzazione di un apparato di test di NEMO.
Per quanto riguarda il progetto LAMS il contributo sarà la definizione dell’elettronica di
trasmissione dati fra la stazione a riva e le “Junction Boxes” dove verranno connesse le
strumentazioni sommerse.
Per quanto riguarda la progettazione e realizzazione di una torre di quattro piani equipaggiati
con moduli ottici, si propone di realizzare, nel 2004:
-
lo sviluppo e la realizzazione dei prototipi per la trasmissione di dati, affiancando alle
schede già sviluppate per la digitizzazione dei segnali dei PMT, l’elettronica per la
“concentrazione” dei dati prodotti dai moduli ottici di ogni piano su fibra ottica usando la
tecnica DWDM (si chiedono 10 Tranceivers, 5 in acqua e 5 a riva più finanziamento per la
realizzazione delle schede, 1 PC per il CAD elettronico e per lo sviluppo del firmware per
trasmissione dati con tecnica DWDM);
-
un sistema di “Slow Control” capace sia di controllare l’apparato sottomarino che di
acquisire dati da strumenti “ambientali” necessari al controllo di correnti marine, velocità
del suono, conducibilità, salinità, etc… (si chiede di acquisire nel 2004 un CTD ed uno
strumento per la misura della velocità del suono, rimandando all’anno successivo
l’acquisto di un correntometro Doppler.);
-
lo sviluppo e la realizzazione dell’elettronica necessaria per il read-out a riva. Ciò
comporta lo sviluppo di schede per il trasferimento dati da un’interfaccia ottica ad un bus
PCI, il riordino temporale dei segnali, un trigger di primo livello per la riduzione dei dati
da immagazzinare (si chiede il finanziamento per la realizzazione delle schede
elettroniche e di un PC con bus PCI adeguato allo scopo).
8/8
Codice
Esperimento
Gruppo
NEMO−RD
2
NUCLEARE
PREVISIONE DI SPESA
In KEuro
ANNI
Miss.
FINANZIARI interno
2004
2005
2006
TOTALI
Mod EC./EN. 6
Miss.
estero.
Materiale
di cons.
Trasp. e Spese
Facch. Calc.
201
200.0
200.0
88
60.0
60.0
167
50.0
50.0
5
0.0
0.0
601,0
208,0
267,0
5,0
0
0.0
0.0
Affitti e
Manut.
Appar.
12
0.0
0.0
12,0
Mater.
inventar
Costr.
appar.
TOTALE
Compet.
51
10.0
10.0
493
100.0
0.0
1017.0
420.0
320.0
71,0
593,0 1757,0
Codice
Esperimento
NEMO−RD
Struttura
GE
Gruppo
2
N
1
2
3
4
Qualifica
Affer.
RICERCATORE Dipendenti
Incarichi
al
%
Cognome e Nome
gruppo
.
Art.
23
Ruolo
RicercaAssoc
BERSANI Andrea
PESKOV Vladimir
RICCO Giovanni
TAIUTI Mauro
Dott.
Art.23
P.O.
P.A.
TECNOLOGI
Qualifica
Incarichi
Ass.
Art. 23
Ruolo
Tecnol.
Dipendenti
%
0
0
N
Cognome e Nome
100
100
30
70
2
2
3
3
N
TECNICI
Cognome e Nome
Qualifica
Incarichi
Dipendenti
Ruolo
Art. 15
Collab.
tecnica
1 PARODI Franco
CTer.
2 ROTTURA Andrea CTer.
3 Tecnici Full Time Equivalent
Annotazioni:
SERVIZI TECNICI
Denominazione
mesi−uomo
4.0
6.0
3.0
Mod EC./EN. 7
%
Assoc.
tecnica
20
20
2
0.4
NUCLEARE
Codice
Esperimento
Gruppo
NEMO−RD
2
Data
completamento
Descrizione
31−12−2004
4 campagne di misura sul sito di capo Passero
30−11−2004
Realizzazione di 4 schede di readout
30−11−2004
Realizzazione delle schede di concentrazione e ricezione DWDM per quattro piani
31−12−2004
Realizzazione delle parti meccaniche di una torre di quattro piani
Mod EC./EN. 8
Struttura
Gruppo
GE
2
Coordinatore: Gemma Testera
COMPOSIZIONE DEI GRUPPI DI RICERCA: A) − RICERCATORI
Componenti del Gruppo e ricerche alle quali partecipano:
Ricerche del gruppo in %
Qualifica
N.
Cognome e Nome
Dipendenti
Affer.
al
gruppo
Incarichi
Ruolo Art. 23 Ricerca Assoc.
I
1
AMORETTI Marco
2
ANGHINOLFI Marco
D.R.
3
3
BALERNA A.
Ric.
5
4
BALLANTINI Renzo
5
BATTAGLIERI Marco
6
BERNARD Philippe
C.E.R.N.
5
7
BERSANI Andrea
Dott.
2
8
CALATRONI Sergio
C.E.R.N.
2
9
CARRARO Carlo
Dott.
3
10
CHIAVERI Enrico
C.E.R.N.
2
11
CORVISIERO Pietro
12
DE MARCO Daniel
13
DE VITA Raffaella
14
FONTANELLI Flavio
P.A.
1
15
GALLINARO Gaetano
P.A.
2
100
16
GATTI Flavio
P.A.
2
40
17
GRACCO Valerio
P.O.
1
18
GUARDINCERRI Elena
19
LAGOMARSINO Vittorio
20
LOSITO Roberto
21
MANUZIO Daniela
22
MANUZIO Giulio
23
MAURIZIO Chiara
24
MOBILIO S.
25
PALLAVICINI Marco
26
PERGOLESI Daniele
27
PESKOV Vladimir
28
29
PICASSO Emilio
P.O.
1
50
30
PODESTA' Andrea
Dott.
5
60
AsRic
AsRic
Ric.
3
AsRic
3
Dott.
80
40
60
60
40
70
30
100
80
20
50
50
80
20
70
30
100
60
40
30
2
70
10
30
2
P.A.
70
30
Dott.
2
70
30
2
60
40
P.O.
Ric.
80
20
2
30
2
20
70
80
50
2
Dott.
2
Art.23
R.U.
50
100
90
1
Ricercatori
50
50
2
1.6 2.2 4.6 2.9
INSERIRE I NOMINATIVI IN ORDINE ALFABETICO
40
3
4.1 4.2 1
(N.B.NON VANNO INSERITI I LAUREANDI)
Indicare il profilo INFN
Indicare la Qualifica Universitaria (P.O. P.A. R.U.) o Ente di rappresentanza
Indicare la Qualifica Universitaria o Ente di appartenenza per Dipendenti altri Enti:
Bors.) Borsista; B−P−D) Post−Doc; B.Str.) Borsista straniero; Perf.) Perfezionando;
Dott.) Dottorando; AsRic) Assegno di ricerca; S.Str) Studioso straniero;
DIS) Docente Istituto Superiore
Mod G1
10
50
Note:
4) INDICARE IL GRUPPO DI AFFERENZA
10
60
100
2
Bors.
1) PER I DIPENDENTI
2) PER GLI INCARICHI DI RICERCA
3) PER GLI INCARICHI DI ASSOCIAZIONE
50
C.E.R.N.
P.O.
V
20
3
2
IV
20
80
5
Dott.
III
50
50
3
P.S.
Percentuale
impegno
in altri gruppi
Struttura
Gruppo
GE
2
COMPOSIZIONE DEI GRUPPI DI RICERCA: A) − RICERCATORI
N.
Cognome e Nome
Dipendenti
Incarichi
Affer.
al
gruppo
Ruolo Art. 23 Ricerca Assoc.
31
RAZETO Alessandro
32
RIBEIRO GOMES Maria
33
RICCO Giovanni
34
RIPANI Marco
35
SANNINO Mario
36
TAIUTI Mauro
37
TESTERA Gemma
38
THEA Alessandro
39
VACCARONE Renzo
40
VARIOLA Alessandro
41
ZZc
42
ZZd
I
2
Art.23
Bors.
P.A.
1
P.A.
3
2
Ric.
Dott.
I Ric
30
70
90
10
30
70
30
30
2
40
100
70
30
2
Bors.
Ric.
2
100
100
2
Ricercatori
100
1.6 2.2 4.6 2.9 3 4.1 4.2
1
Note:
INSERIRE I NOMINATIVI IN ORDINE ALFABETICO
Mod G1
Indicare la Qualifica Universitaria (P.O. P.A. R.U.) o Ente di rappresentanza
Indicare la Qualifica Universitaria o Ente di appartenenza per Dipendenti altri Enti:
Bors.) Borsista; B−P−D) Post−Doc; B.Str.) Borsista straniero; Perf.) Perfezionando;
Dott.) Dottorando; AsRic) Assegno di ricerca; S.Str) Studioso straniero;
DIS) Docente Istituto Superiore
4) INDICARE IL GRUPPO DI AFFERENZA
V
70
30
5
I Ric.
IV
100
3
Ric.
III
100
2
3
P.O.
1) PER I DIPENDENTI
2) PER GLI INCARICHI DI RICERCA
Percentuale
impegno
in altri gruppi
Qualifica
Struttura
Gruppo
GE
2
COMPOSIZIONE DEI GRUPPI DI RICERCA: B) − TECNOLOGI
Qualifica
N.
Cognome e Nome
Dipendenti
Incarichi
Ruolo Art. 23
Assoc.
Tecnologica
I
1
CHINCARINI Andrea
Tecn.
70
2
CUNEO Stefano
Tecn.
10 20 25
3
GEMME Gianluca
Tecn.
4
MUSICO Paolo
Tecn.
5
PARODI Renzo
D.T.
6
SALVO Corrado
D.T.
Mod G2
III
IV
V
30
40
30
70
30
5
35
30
70
100
Note:
1) PER I DIPENDENTI
Percentuale
impegno
in altri gruppi
Indicare Ente da cui dipendono, Bors. T.) Borsista Tecnologo
Struttura
Gruppo
GE
2
COMPOSIZIONE DEI GRUPPI DI RICERCA: C) − TECNICI
Qualifica
N.
Dipendenti
Incarichi
Ruolo Art. 23
Collab. Assoc.
tecnica Tecnica
Percentuale impegno
in altri gruppi
Cognome e Nome
1
BEVILACQUA Adriano
CTer.
2
PARODI Franco
CTer.
3
PARODI Luigi
CTer.
4
PEPE Salvatore
CTer.
5
ROTTURA Andrea
CTer.
I
20
III
IV
V
80
20
20
60
100
25
20
25
50
20
60
Servizi (mesi−uomo)
1
officina elettronica
1.0 2.0
2
officina meccanica
2.0
5.0 6.0 2.0 2.0
3
Progettazione meccanica
1.0
3.0 3.0 2.0 3.0
4.0 1.0 14.0
3.0
Note:
1) PER I DIPENDENTI
2) PER GLI INCARICHI DI COLLABORAZIONE TECNICA
3) PER GLI INCARICHI DI ASSOCIAZIONE TECNICA
Mod G3
Indicare Ente da cui dipendono
Indicare Ente da cui dipendono
13.0
3.0
63.0 9.0
10.0
23.0 6.0
4.0
Struttura
GE
Coordinatore: F. Gatti
Gruppo
2
PREVISIONE DELLE SPESE DI DOTAZIONE E GENERALI DI GRUPPO
Dettaglio della previsione delle spese del Gruppo che non afferiscono
ai singoli esperimenti e per l'ampliamento della Dotazione di base del Gruppo
In KEuro
IMPORTI
VOCI
DI
SPESA
Interno
Parziali
Viaggi coordinatore
5.0
Congressi, incontri scientifici
5.0
Congressi, incontri scientifici
25.0
Totale
Compet.
10.0
25.0
Estero
Consumi generali
7.5
Materiale
di consumo
7.5
Spese Seminari Seminari
Trasporti e facch.
Pubblicazioni Pubblicazioni
Scientifiche
Spese Calcolo
Consorzio
Ore CPU
Affitti vari
Spazio Disco
Cassette
3.0
3.0
0.0
2.0
2.0
Altro
0.0
5.0
Affitti e
Manutenzione
Apparecchiature
(1)
5.0
Materiale inventariabile
15.0
Materiale
inventariabile
15.0
Totali
(1) Indicare tutte le macchine in manutenzione
Mod G4
67.5
Struttura
GE
Gruppo
2
PREVISIONE DELLE SPESE PER LE RICERCHE
RIEPILOGO DELLE SPESE PREVISTE PER LE RICERCHE DEL GRUPPO
In KEuro
SIGLA
ESPERIMENTO
AIRWATCH−RD
ANTARES
BOREX
MANU2
NEMO−RD
SPESA PROPOSTA
Miss.
interno
Miss.
estero
Mater. di
cons.
Spese
Semin.
Trasp e
Facch.
16.0
5.0
100.0
3.0
17.0
31.0
39.0
10.0
10.0
2.0
19.0
15.0
28.0
75.0
2.0
141
92
139
5.0
20.0
20.0
39.0
30.0
25.0
25
59
55
0
0
C) Dotazioni di
Gruppo
10.0
25.0
7.5
3.0
Totali (A+B+C)
176
176
201.5
3
Totali A)
ATHENA2−RD
MAGO
Totali B)
Mod G5
Pubbl.
Scient.
0.0
1.0
1.0
0.0
3.0
0
Aff. e
Manut.
App.
Spese
Calc.
Mater.
Invent.
Costruz.
Appar.
TOT
Compet.
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
33.0
0.0
10.0
35.0
4.0
0.0
144.0
0.0
145.0
44.0
99.0
204.0
149.0
268.0
72.0
0
0
82
333
792
0.0
0.0
0.0
7.5
30.0
51.5
200.0
28.0
285.0
171.0
0
0
7.5
81.5
228
456
0.0
2.0
0.0
5.0
15.0
0.0
67.5
5
2
0
12.5
178.5
561
1315.5
5
0
0.0
0.0

ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Preventivo per

Transcript

Documenti analoghi

Scopri i segreti della casa - Listening activities

Laboratorio 02/10/09

Boardwalk

Richiesta Preventivo da parte di Cognome Giuseppe Nome

fallimento litovald srl - Istituto Vendite Giudiziarie di Vicenza

Prima F - Inglese | 2013-2014

M/O - 32 Descrizione Description Art. THERMAL PENCILS (COBALT

Istituto d`Istruzione Superiore “Luigi Carnacina”

HydroClean