[논문 리뷰] First Results of GINGERino, a deep underground ringlaser

Jacopo Belfi, N. Beverini외 12명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 12.

Geophysics and Sensor Technology참고 문헌 13인용 수 3

한 줄 요약

GINGERino, 3.6m 크기의 사각형 레이저 링으로, 그란 사소 국립연구소(LNGS)의 깊은 지하에서 설치되어 짧은 적분 시간 동안 10⁻¹⁰ rad/s 이하의 감도를 입증하였으며, 향후 Lense–Thirring 효과 검증을 위한 낮은 잡음 환경 잠재력을 검증하였다. 공기 압력에 의한 저주파 잡음 문제에도 불구하고, 지하 환경에서 장기적이고 고안정적인 회전 측정의 가능성을 확인하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• Lense–Thirring 효과를 타깃으로 하는 고정밀 GINGER 실험을 수행하기 위해 그란 사소 지하 실험실(LNGS)이 적합한지 평가하기.
• 통제된 지하 환경에서 소형 레이저 링 기구를 이용해 지구의 매우 낮은 주파수의 회전 운동을 측정하기.
• 장기적 안정성과 감도를 제한할 수 있는 국지적 환경적 요동—특히 압력 및 지진 잡음—을 규명하고 특성화하기.
• 일반 상대성 이론 검증을 위한 레이저 링 기구 측정에서 요구되는 10⁻¹⁴ rad/s 감도를 달성할 수 있는 기술적 타당성 검증하기.
• 고감도 레이저 링의 연속적이고 무인 운영을 통해 독특한 지형측량 및 지물리학 데이터 제공하기.

제안 방법

• 지표면의 영향을 최소화하기 위해 LNGS 지하 실험소의 가장 깊은 부분에 3.6m 사각형 레이저 링 공진기 구조를 설치하기.
• Sagnac 효과에 기반한 레이저 링을 사용하여, 공진기 내에서 같은 방향으로 진행하는 레이저 빔 간의 주파수 차이를 측정함으로써 관성 기준에 대한 자전 속도를 측정하기.
• 지진계 및 환경 모니터링 장치(압력, 온도)를 동시에 측정하여 잡음 원천 간의 상관관계 분석하기.
• 지진 잡음의 파wer 스펙트럼 및 편광 특성을 분석하여, 특히 턨널 축 방향으로 발생하는 방향성 잡음 원천 규명하기.
• 시간-주파수(TF) 분석을 적용하여 압력 변동과 저주파 지진 잡음 간의 상관관계 탐지하기.
• 감도 향상을 위해 공진기의 레이저 레이저 감쇠 시간과 거울 품질 향상을 위한 기계적 개선 조치 시행하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그란 사소 지하 실험소는 Lense–Thirring 효과를 탐지하기 위해 요구되는 초저잡음 환경을 지원할 수 있는가?
• RQ2 的大기압 변화가 레이저 링 및 지진계 측정에서 저주파 잡음을 유발하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ3 관측된 수평 지진 잡음이 터널 축 방향으로 비대칭적으로 분포하며, 공기 운동과 관련되어 있어 압력에 기인한 원인이 아닐까?
• RQ4 레이저 링이 충분한 적분 시간과 안정성을 확보하여 지구 자전 속도를 10⁻¹⁴ rad/s 수준에서 측정할 수 있는가?
• RQ5 기압, 온도, 수문학적 변화와 같은 국지적 환경적 요동이 레이저 링 측정의 장기적 안정성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• GINGERino는 적분 시간이 수십 초 이내일 경우, 일반적으로 약 수십 ×10⁻¹⁰ rad/s/√Hz 수준의 파워 스펙트럼 감도를 확보하였다.
• 기계적 개선 후 공진기의 레이저 감쇠 시간이 약 240 μs 에서 약 150 μs로 향상되어, 공진기 안정성 향상의 진전을 보였다.
• 지진계의 수평 성분에서 터널 축 방향으로 저주파 잡음의 비대칭적 초과가 관측되어, 공기 운동이 원인일 가능성이 제기되었다.
• 시간-주파수 분석을 통해 일일/야간 주기 및 주중/주말 주기의 압력 변동과 수평 지진 잡음 간에 강한 상관관계가 확인되었다.
• GINGERino 실내의 압력 변동은 명확한 일일 및 주간 주기적 변동을 보였으며, 진폭은 약 ~1 kPa/100 수준으로, 지진 잡음 피크와 관련이 있었다.
• 자료 분석 결과, 공기 압력 변동이 저주파 잡음의 주요 원인임을 시사하며, 공진기 실의 기밀 보장이 이 효과를 억제하기 위해 필요할 수 있음을 시사한다.