Fisica: così GINGERINO misurerà la velocità di rotazione e il campo gravitazionale della Terra

GINGERINO è essenzialmente un laser ad anello, caratterizzato da una cavità ottica risonante, definita da quattro specchi posizionati ai vertici di un quadrato

È possibile misurare con precisione la velocità di rotazione della terra a partire dall’analisi delle differenze con cui i segnali luminosi con traiettorie opposte si propagano. A sostenerlo, un articolo apparso l’8 maggio sulla rivista Springer EPJC, in cui sono raccolti i risultati relativi all’ultima analisi condotta su dati acquisiti su un lungo periodo da GINGERINO, un interferometro laser, comunemente chiamato laser ad anello (Ring Laser Gyroscope), ospitato nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso. Lo studio ha infatti evidenziato la capacità dell’apparato di fornire, con un’accuratezza oltre le aspettative, valori della velocità angolare della Terra concordi con quelli ottenuti da sofisticati sistemi satellitari e da interferometria astronomica, oggi impiegati per monitorare i parametri legati alla rotazione del nostro pianeta. L’esperimento si inserisce nell’ambito delle attività di GINGER (Gyroscopes IN GEneral Relativity), collaborazione scientifica tra enti di ricerca italiani a guida INFN, che mira a dimostrare l’efficacia dei dispositivi come GINGERINO nel settore dedicato ai test di verifica della Relatività Generale e delle possibili violazioni dell’invarianza di Lorentz, che definisce come le leggi della fisica rimangano le stesse sia per il sistema preso come riferimento per la loro enunciazione che per quelli in moto rettilineo uniforme rispetto a quest’ultimo.

GINGERINO – spiega l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare – è essenzialmente un laser ad anello, caratterizzato da una cavità ottica risonante, definita da quattro specchi posizionati ai vertici di un quadrato. La cavità è riempita da una miscela di gas elio-neon che viene eccitata da una scarica a radiofrequenza, generando così due fasci laser controrotanti. In assenza di rotazione, i due cammini ottici sono identici e i fotoni impiegano lo stesso tempo a chiudere l’anello, ma ciò non è più vero se la cavità sta ruotando. In questo caso i due fasci laser in direzioni opposte avranno frequenze diverse tra loro, la cui differenza, rilevabile registrando il segnale interferometrico di sovrapposizione, è proporzionale alla velocità di rotazione. Tale fenomeno è noto come effetto Sagnac. Grazie alla struttura simmetrica di GINGERINO, molti dei rumori tipici degli interferometri standard vengono fortemente attenuati, permettendo di misurare con precisione anche fenomeni descritti dalla Relatività Generale.

Nonostante siano potenzialmente in grado di individuare le perturbazioni relativistiche sulla propagazione dei segnali luminosi e di fornire uno strumento alternativo per il monitoraggio delle proprietà geodetiche e dei fenomeni geologici, come i terremoti, su scala globale e locale, l’utilizzo degli interferometri Sagnac è stato fino ad oggi limitato a causa della difficoltà che presenta l’analisi dei dati prodotti. Tale analisi deve tener conto delle complesse dinamiche del laser che genera i due fasci controrotanti all’interno della cavità e del rumore prodotto dall’azione di forze esterne. Da qui, la scelta da parte dei ricercatori della collaborazione GINGER di utilizzare un dimostratore tecnologico, GINGERINO, e di ancorarlo alla roccia nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, al riparo dagli agenti atmosferici, al fine di studiare soluzioni volte alla realizzazione di un futuro interferometro con una maggiore sensibilità e di migliorare la capacità di discriminazione dei dati da esso acquisiti.

Gli interferometri Sagnac”, spiega Angela Di Virgilio, responsabile del progetto GINGER e di GINGERINO e ricercatrice della sezione INFN di Pisa, “sono strumenti molto particolari, proposti in passato anche per la ricerca di onde gravitazionali. I laser ad anello appartengono a questa famiglia di interferometri e nel 2011 il nostro primo prototipo ha acquisito dati per un anno intero a Virgo. È un fatto ben noto che sono sensibili a effetti dovuti alla gravità. Noi ci siamo posti l’ambizioso obiettivo di misurare questi effetti in un esperimento a terra, come osservando la realtà attraverso una lente di ingrandimento: più è sensibile l’apparato maggiore è l’ingrandimento.”

Il recente risultato ottenuto dalla collaborazione GINGER rientra quindi all’interno del lavoro di indagine sulla reale sensibilità di GINGERINO svolto dai ricercatori, i quali hanno confrontato i dati ottenuti dall’esperimento nel corso di 103 giorni di operatività con quelli acquisiti dai consolidati e accurati sistemi di triangolazione dei segnali radio provenienti da satelliti o da sorgenti astronomiche impiegati per determinare la velocità di rotazione del nostro pianeta e del tempo universale (Coordinated Universal Time, UTC), il tempo standard sulla base del quale vengono regolati i nostri orologi, e di altri parametri geodetici, quali lo spostamento dei poli e la variazione dell’inclinazione dell’asse terrestre. Un confronto che ha messo in luce una sostanziale corrispondenza tra le misure e una sensibilità inaspettata da parte di GINGERINO, pari a frazioni di femtoradianti (10 alla meno 15 radianti) per secondo, grandezze corrispondenti alla scala subatomica.

Se confermato, il risultato garantirebbe l’effettiva capacità degli interferometri Sagnac di distinguere tra diverse teorie della gravitazione, ed evidenziare, in ultima analisi, effetti capaci di conciliare l’interazione gravitazionale con la meccanica quantistica. “In un recente studio teorico,” illustra Salvatore Capozziello, membro della collaborazione GINGER e ricercatore della sezione INFN di Napoli, “pubblicato sulla rivista Springer EPJP, abbiamo dimostrato come i dati già rilevati da GINGERINO potrebbero essere compatibili con le cosiddette Extended Gravity e la teoria di Horava-Lifshitz e che potrebbero quindi offrire la possibilità di fissare con precisione i parametri di queste ultime.”

Le nuove generazioni di apparati come GINGERINO potrebbero infine fornire un valido strumento alternativo nello studio dei fenomeni che influiscono sulla rotazione del nostro pianeta, sulle variazioni dell’inclinazione dell’asse terrestre, e sulle caratteristiche geologiche delle aree in cui saranno installati gli interferometri. “È importante ricordare”, sottolinea Salvatore Stramondo, Direttore dell’Osservatorio nazionale Terremoti dell’INGV, “che GINGERINO è collocato in una delle zone a più alta pericolosità sismica d’Europa. GINGERINO e il sismometro INGV installato nelle vicinanze formano una stazione sismica “speciale” a 4 componenti. In un nostro recente lavoro in collaborazione con i colleghi dell’INFN viene mostrato come questa stazione, da sola, sia in grado di localizzare terremoti e di acquisire informazioni sulla microsismicità che da una rete sismica convenzionale non si riescono ad ottenere, elemento quest’ultimo molto rilevante per il monitoraggio sismico e per la sismologia rotazionale, una nuova branca della sismologia, in cui i segnali di interesse sono molto piccoli e solo di recente abbiamo strumenti adeguati a rilevarli.”

Nata da un’idea di Angela di Virgilio e Nicolò Beverini, docente dell’Università di Pisa, la collaborazione GINGER è guidata dall’INFN con il contributo dell’INGV. L’INFN, attraverso i Laboratori di Legnaro e del Gran Sasso, le sezioni di Pisa, Napoli e Torino si è occupato della progettazione e della realizzazione di GINGERINO ed è responsabile delle attività di acquisizione e analisi dati.