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| ESPERIMENTO GGG, RESPONSABILE: Anna Nobili |
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GGG ("Galileo Galilei-GG on the Ground") è un accelerometro differenziale in rotazione veloce per la verifica del principio di equivalenza. Si tratta del prototipo di uno strumento analogo disegnato per volare in orbita terrestre bassa a bordo del satellite "Galileo Galilei (GG)" per una verifica del Principio di Equivalenza, al livello di 10^-17, con un miglioramento di 4 ordini di grandezza rispetto ai migliori risultati attuali. Poiché la Relatività Generale è fondata sul principio di equivalenza (essa richiede che in un campo gravitazionale tutti i corpi cadano con la stessa accelerazione indipendentemente dalla loro massa e/o composizione) una evidenza sperimentale di violazione richiederebbe di modificare la Relatività Generale o di assumere l'esistenza di una nuova forza: un risultato scientifico assolutamente rivoluzionario. D'altro canto, una conferma ad un livello di accuratezza così elevato sarebbe un vincolo fortissimo per lo sviluppo della fisica al di là del modello standard.
Il principale aspetto innovativo di GGG è che le masse di prova sono accoppiate tra di loro debolmente (così da essere molto sensibili a piccolissimi effetti differenziali, quali appunto una possibile violazione del principio di equivalenza), e in rotazione veloce (in modo da ridurre il rumore termico, meccanico ed elettronico sia considerevolmente ridotto). Un sistema di questo tipo si dice in regime di rotazione supercritica, un regime dinamico in cui è possibile mettere masse di prova macroscopiche in rotazione veloce con un livello di rumore molto basso, come si richiede in esperimenti di misura di piccolissime forze in fisica fondamentale. In particolare, l'abbattimento del rumore termico che compete con il segnale modulato ad alta frequenza dalla rotazione, è il fatto cruciale che permette di raggiungere una altissima sensibilitò con un breve tempo di integrazione senza dover ricorrere alla criogenia. Inoltre, il breve tempo di integrazione permette di eseguire (in diverse configurazioni orbitali) numerosi test di verifica della segnatura dell'effetto misurato in modo da distinguere un eventuale segnale di violazione da effetti spuri di natura classica.
Nello spazio l'accelerometro non ha bisogno di motore per la rotazione (grazie alla conservazione del momento angolare) ed è sostanzialmente un sistema isolato. Altri importanti vantaggi dello spazio sono un segnale 3 ordini di grandezza più forte, sospensioni meno rigide (per l'assenza di peso) e quindi maggiore sensibilità, assenza di disturbi del terreno. Grazie a questo sensore innovativo GG può mirare ad un test del principio di equivalenza a 10^-17 senza dover ricorrere alla criogenia. GGG, che ha gli stessi gradi di libertà, le stesse dimensioni delle masse di prova e le principali caratteristiche del sensore proposto per il volo, permette di dimostrarne la validità a terra.
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| OBIETTIVI DELL'ESPERIMENTO GGG |
GGG is a 1-g version of a rotating differential accelerometer proposed to fly in the small GG satellite aiming to test the Weak Equivalence Principle (WEP) to 1 part in 10^17 in the gravitational field of the Earth. It tests the foundations of General Relativity with 4 orders of magnitude improvement as compared to current best ground tests based on rotating torsion balances. A violation would require General Relativity to be amended or the existence of a new long range interaction, and be a revolutionary scientific result. A confirmation to such a high accuracy level would be a crucial asset for physics theories for decades to come.
Primary goal of GGG is to demonstrate the feasibility of the accelerometer designed to fly and to achieve a sensitivity relevant for the target of the space mission. The observable to be measured is the differential acceleration of two test masses of different composition freely falling in the gravitational field of the Earth; once divided by the average acceleration from the Earth, the measured differential acceleration provides the Eotvos parameter "eta" which is currently measured to 1 part in 10^13 and GG plans to improve to 1 part in 10^17. GGG should demonstrate not only the feasibility of the experiment design, but also the capability to reach a level of noise in the differential acceleration of the test masses as close as possible (in the ground environment) to the sensitivity required in space for GG to meet its target at the (low) frequency of the target signal, which is the orbital frequency of the satellite around the Earth (1.7x10^-4 Hz). GG must be sensitive to differential accelerations of 8x10^-17 m/s^2 at 1.7x10^-4 Hz; this will give "ëta" to 10^-17 because the average acceleration of the test bodies in low Earth orbit (at 600 km or slightly higher altitude) is of about 8 m/s^2.
The best WEP tests on ground have been achieved with slowly rotating torsion balances, which have superseded Galileo-like mass dropping tests by far. While mass-dropping tests take little advantage from being performed in space, the advantages of space for a test based on coupled test masses are very substantial (with a signal almost 3 orders of magnitude stronger than at 1-g), they are generally recognized in the scientific community and have motivated the interest of space agencies worldwide.
It is very important to notice that the GGG ground accelerometer has the same number of degrees of freedom and the same dynamical properties of the accelerometer designed to fly in GG, in addition to being built to full scale.Thus, its sensitivity is directly relevant for the experiment in space.
The major error sources which affect GGG are low frequency tilt (and horizontal acceleration) noise due to local terrain micro seismicity and to the rotating shaft bearings noise (rotation being required for high frequency modulation of the signal). Both these noise sources are absent in the space experiment because the entire satellite rotates and, due to angular momentum conservation (after initial spin up), no motor and no bearings are needed (there is no non-rotating part); moreover, there is no "local terrain" and the spin axis is fixed in space. Thus the major goal in GGG is to reduce the local terrain tilt noise and the noise between rotating and non rotating parts in the bearings. The comparison must also take into account that at 1-g the test masses cannot be coupled as weakly as in absence of weight in space, which means lower sensitivity to differential accelerations.
In 2008-2010 ASI has funded:
i) A Phase A-2 Study of GG by Thales Alenia Space-I, with support of the GG proposing scientists
ii) a new suspended GGG apparatus, with the required ad hoc vacuum chamber, in the GGG lab
As a result of these industrial and laboratory developments the Jet Propulsion Laboratory (JPL) of Caltech and NASA has officially expressed interest in GG/GGG and proposed to ASI that GG becomes a joint project (with USA leadership) to be proposed to NASA for flight within the EXPLORER Program of NASA. The President of ASI has formally responded by endorsing the project (the Italian share being limited to 1/3 of the mission cost, excluding launch). Collaboration with JPL is ongoing.
A list of selected publications is reported in Section 6: MORE ON THE EXPERIMENT (also named Summary on the Experiment)
Visit the GG/GGG webpage to learn more: http://eotvos.dm.unipi.it |
| ULTERIORI INFORMAZIONI SULL'ESPERIMENTO GGG |
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare - Piazza dei Caprettari, 70 - 00186 Roma
tel. +39 066840031 - fax +39 0668307924 - email: presidenza@presid.infn.it
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