Il CERN condivide il beampipe a conoscenza

Il rilevamento diretto delle onde gravitazionali nel 2015 ha aperto una nuova finestra sull’universo, consentendo ai ricercatori di studiare il cosmo unendo dati provenienti da più fonti. Attualmente sono operativi quattro telescopi per onde gravitazionali (GWT): LIGO in due siti negli Stati Uniti, Virgo in Italia, KAGRA in Giappone e GEO600 in Germania. Sono in corso discussioni per stabilire un ulteriore sito in India. La rilevazione delle onde gravitazionali si basa sull'interferometria laser di Michelson con cavità di Fabry-Perot, che rivela l'espansione e la contrazione dello spazio a livello di diecimillesimi delle dimensioni di un nucleo atomico, cioè 10-19 m. Nonostante la deformazione estremamente bassa da rilevare, viene misurata in media un'onda gravitazionale per settimana di misurazione studiando e minimizzando tutte le possibili fonti di rumore, comprese le vibrazioni sismiche e la diffusione dei gas residui. Quest'ultimo viene ridotto posizionando l'interferometro in un tubo dove viene generato un vuoto ultraelevato. Nel caso di Virgo, il vuoto all'interno dei due bracci perpendicolari dell'interferometro lunghi 3 km è inferiore a 10-9 mbar.

Mentre le strutture attuali vengono gestite e aggiornate, la comunità delle onde gravitazionali si sta concentrando anche su una nuova generazione di GWT che forniranno una sensibilità ancora migliore. Ciò potrebbe essere ottenuto con bracci dell’interferometro più lunghi, insieme ad una drastica riduzione del rumore che potrebbe richiedere il raffreddamento criogenico degli specchi. I due studi principali sono l’Einstein Telescope (ET) in Europa e il Cosmic Explorer (CE) negli Stati Uniti. La lunghezza totale dei recipienti a vuoto previsti per gli interferometri ET e CE è rispettivamente di 120 km e 160 km, con un diametro del tubo compreso tra 1 e 1,2 m. Le pressioni operative richieste sono tipiche di quelle necessarie per i moderni acceleratori (ovvero nell'ordine di 10-10 mbar per l'idrogeno e anche inferiori per altre specie di gas). La prossima generazione di GWT rappresenterebbe quindi i più grandi sistemi di vuoto ultraalto mai costruiti.

La prossima generazione di telescopi per onde gravitazionali rappresenterebbe i più grandi sistemi di vuoto ultraalto mai costruiti.

Produrre queste pressioni non è difficile, poiché gli attuali sistemi di vuoto degli interferometri GWT hanno un grado di vuoto paragonabile. Invece, la sfida è il costo. Infatti, se venissero adottate le soluzioni della generazione precedente, il sistema di tubi a vuoto ammonterebbe alla metà del costo stimato di CE e non lontano da un terzo di ET, che è dominato dall’ingegneria civile sotterranea. La riduzione del costo dei sistemi da vuoto richiede lo sviluppo di approcci tecnici diversi rispetto agli impianti della generazione precedente. Lo sviluppo di tecnologie più economiche è anche un argomento chiave per i futuri acceleratori ed è già visibile una sinergia in termini di metodi di produzione, trattamenti superficiali e procedure di installazione.

Nell’ambito di un quadro ufficiale tra il CERN e gli istituti principali dello studio ET – Nikhef nei Paesi Bassi e INFN in Italia – i gruppi TE-VSC ed EN-MME del CERN stanno condividendo la loro esperienza nel vuoto, nei materiali, nella produzione e nei trattamenti superficiali con l’universo gravitazionale. comunità delle onde. L'attività è iniziata a settembre 2022 e dovrebbe concludersi alla fine del 2025 con una relazione tecnica di progettazione e un test completo di un settore pilota di recipienti a vuoto. Durante il workshop "Beampipes for Gravitational Wave Telescopes 2023", tenutosi al CERN dal 27 al 29 marzo, 85 specialisti provenienti da diverse comunità che comprendono tecnologie di acceleratori e onde gravitazionali e da aziende che si concentrano sulla produzione di acciaio, produzione di tubi e apparecchiature per il vuoto si sono riuniti per discutere gli ultimi progressi. L’evento ha seguito un evento simile ospitato da LIGO Livingston nel 2019, che ha dato importanti indicazioni per i temi di ricerca.

Tracciare un percorso In una serie di contributi introduttivi sono stati presentati gli elementi teorici di base riguardanti i requisiti del vuoto e lo stato degli studi CE ed ET, evidenziando le iniziative nelle tecnologie del vuoto e dei materiali intraprese in Europa e negli Stati Uniti. La descrizione dettagliata degli attuali sistemi per vuoto GWT ha fornito un punto di partenza per la presentazione degli sviluppi in corso. Per condurre un’analisi e una riduzione efficaci dei costi, è necessario prendere in considerazione l’intero processo, compresa la produzione e il trattamento delle materie prime, la produzione, il trattamento superficiale, la logistica, l’installazione e la messa in servizio nel tunnel. Inoltre, le interfacce con le aree sperimentali e altri servizi come l'ingegneria civile, la distribuzione elettrica e la ventilazione sono essenziali per valutare l'impatto delle scelte tecnologiche per i tubi del vuoto.