[論文レビュー] First Results of GINGERino, a deep underground ringlaser

Jacopo Belfi, N. Beverini+12 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2016

Geophysics and Sensor Technology参考文献 13被引用数 3

ひとこと要約

GINGERinoは、グランサッソ国立研究所（LNGS）の地下深部に設置された3.6 m角のリングレーザーであり、短時間積分において10⁻¹⁰ rad/s未満の感度を達成し、将来的なLense–Thirring効果の検証に適した低ノイズ環境の可能性を裏付けた。空気圧に起因する低周波数ノイズの課題があるものの、地下環境における長期的・高安定性な回転測定の実現可能性を確認した。

ABSTRACT

Large ring-laser gyroscopes are capable of measuring angular rotations with a precision well below fractions of $prad/s$, not far from $10^{-14}$ $rad/s$, the accuracy required for General Relativity tests, this is what the GINGER (Gyroscope-IN-GEneral-Relativity) experiment is aiming for. These features do not guarantee the possibility of measuring the General Relativity Lense--Thirring effect, that manifests itself as a tiny ($\approx 10^{-9} imes Ω_E$) perturbation of the Earth rotation rate. An underground location being in principle less affected by external local disturbances represents a good candidate for housing such a challenging experiment. GINGERino is a test apparatus to investigate the residual local disturbances in the most inner part of the underground international laboratory of the GranSasso (LNGS). It consists of a square ring laser with a $3.6$ m side. The instrument has been tailored to be the larger allowed by the particular location inside the laboratory. Its main objective is to measure the very low frequency rotational motions, in order to prove that LNGS is a suitable location for very low noise measurements and, possibly, General Relativity tests. Aside this main goal, GINGERino will provide unique data for geodesy and geophysics. Its installation has been completed during 2015. Since then, several long set of data have been collected, and the apparatus has been continuously running unattended for more than one week. The typical power spectrum sensitivity was a few $ 10^{-10} rad/s/\sqrt(Hz)$, with integration time not longer than tens of seconds. Improvements of the apparatus are ongoing in order to improve the integration time.

研究の動機と目的

• Lense–Thirring効果を標榜する高精度なGINGER実験を実施するにあたり、グランサッソ地下実験施設（LNGS）が適しているかを評価すること。
• 制御された地下環境下でコンパクトなリングレーザー慣性計を用いて、地球の非常に低周波数の回転運動を測定すること。
• 特に気圧および地震ノイズを含む局所的環境要因が、長期的な安定性と感度に与える制限要因を同定および特徴付けること。
• 一般相対性理論の検証を目的としたリングレーザー慣性計による10⁻¹⁴ rad/sの感度を達成する技術的妥当性を検証すること。
• 高感度リングレーザーの連続的・無人運転により、独自のジオデシックおよび地球物理学的データを提供すること。

提案手法

• 表面からの干渉を最小限に抑えるために、LNGS地下施設の最深部に3.6 m角のリングレーザー共振器を設置すること。
• Sagnac効果に基づくリングレーザーを用い、共通方向に進行する光ビーム間の周波数差を測定することで、慣性基準系に対する回転速度を測定すること。
• 地震計および環境モニタ（気圧、温度）を併用して同時にデータ収集し、ノイズ源の相関を分析すること。
• 地震ノイズのパワースペクトルおよび偏光を分析し、特にトンネル軸に沿った方向性ノイズ源を特定すること。
• 時間周波数（TF）解析を用いて、気圧の変動と低周波数地震ノイズとの相関を検出すること。
• 感度を向上させるために、キャビティのリングダウン時間およびミラー品質を向上させるための機械的改善を実施すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グランサッソ地下施設は、Lense–Thirring効果を検出するために必要な超低ノイズ環境を提供できるか？
• RQ2 大気圧の変動が、リングレーザーおよび地震計の測定に低周波数ノイズを引き起こす程度はどの程度か？
• RQ3 観測された水平方向の地震ノイズが方向的であり、トンネルに沿った空気の動きと相関している場合、それは圧力駆動の起源を示唆するか？
• RQ4 リングレーザーは、10⁻¹⁴ rad/sレベルの地球の回転速度を測定するのに十分な積分時間および安定性を達成できるか？
• RQ5 気圧、温度、地下水の変化などの局所的環境要因が、リングレーザー測定の長期的安定性に与える影響はいかなるものか？

主な発見

• GINGERinoは、積分時間数10秒未塔の範囲で、通常のパワースペクトル感度が数×10⁻¹⁰ rad/s/√Hz程度を達成した。
• 機械的アップグレード後、キャビティのリングダウン時間が約240 μsから約150 μsに改善され、キャビティ安定性の向上が確認された。
• 地震計の水平成分において、トンネル軸に沿って低周波数ノイズの過剰が観測され、空気の動きが原因である可能性を示唆した。
• 時間周波数解析により、気圧の変動（日・夜および平日・週末サイクルを含む）と水平地震ノイズとの強い相関が明らかになった。
• GINGERino室内の気圧変動は明確な日周および週次変動を示し、最大で約1 kPa/100の振幅を示し、地震ノイズのピークと相関した。
• データから、空気圧の変動が低周波数ノイズの主因である可能性が示され、この効果を抑えるためにキャビティ室の気密性を高める必要があると考えられる。