SAGNAC GYROSCOPES AND GINGERINO Angela D. V. Di Virgilio, INFN - PowerPoint PPT Presentation

SAGNAC GYROSCOPES AND GINGERINO Angela ¡D. ¡V. ¡Di ¡Virgilio, ¡INFN ¡sez. ¡Di ¡Pisa, ¡Italy ¡ SAGNAC ¡ Gyroscopes ¡ (Ring ¡ laser) ¡ and ¡ the ¡ experimental ¡ • problem ¡ of ¡ the ¡ Lense-­‑Thirring ¡ measurement ¡ on ¡ Earth(GINGER) ¡ Most ¡recent ¡progress ¡ • GINGER: ¡LNGS ¡/ ¡Sar-­‑Grav ¡ • Angela ¡Di ¡Virgilio, ¡TOYAMA, ¡September ¡9 ¡ TAUP ¡2019 ¡ 2019 ¡

THE ¡SAGNAC ¡EFFECT ¡

SAGNAC ¡GYROS ¡ACTIVE/PASSIVE ¡ ACTIVE …THE ¡LASER ¡DOES ¡THE ¡WORK ¡FOR ¡YOU…. ¡ When ¡the ¡ring ¡is ¡rota@ng, ¡the ¡difference ¡in ¡op@cal ¡path ¡ in ¡the ¡two ¡direc@on ¡is ¡translated ¡in ¡a ¡frequency ¡ difference: ¡ ¡ Angela ¡Di ¡Virgilio, ¡TOYAMA, ¡September ¡9 ¡ TAUP ¡2019 ¡ 2019 ¡

HOW ¡THIS ¡KIND ¡OF ¡DEVICES ¡SHOULD ¡BE ¡CALLED? ¡ I ¡call ¡them ¡Sagnac ¡gyros ¡ ¡ ü ¡Gyros ¡since ¡they ¡are ¡‘inerOal’ ¡ ü Sagnac ¡since ¡they ¡are ¡based ¡on ¡the ¡Sagnac ¡effect ¡ Sagnac ¡gyros ¡can ¡be ¡based ¡on ¡photons, ¡atoms ¡and ¡Helium ¡ superfluid ¡and ¡Josephson ¡juncOon ¡(this ¡one ¡has ¡been ¡abandoned) ¡ Please ¡see ¡100 ¡years ¡of ¡the ¡the ¡Sagnac ¡effect, ¡Compte ¡rendu ¡ 2014. ¡ Angela ¡Di ¡Virgilio, ¡TOYAMA, ¡September ¡9 ¡ TAUP ¡2019 ¡ 2019 ¡

¡ SAGNAC ¡GYROS ¡ ¡ THEY ¡ARE ¡PROJECTORS ¡AND ¡MEASURE ¡ANGULAR ¡ROTATION ¡RATES ¡ ¡ ¡ Ac:ve ¡ring ¡ Passive ¡ring ¡ Fiber ¡FOG ¡ Atom ¡ cavity ¡ ¡ cavity ¡ Bandwidth ¡ High ¡ High ¡ High ¡ <20Hz ¡ ASD ¡ ¡nrad/s ¡1 ¡s ¡ Typ. ¡<1 ¡ Approaching ¡1 ¡ Commercial ¡10 ¡ ~250 ¡ meas. ¡ Rec ¡~7 . 10 -­‑3 ¡ Minim. ¡Allan ¡ ~ ¡10 -­‑4 ¡ 1 ¡day ¡ 10 ¡ ¡ 0.3 ¡ ¡(10 4 ¡s) ¡SIRTE ¡ nrad/s ¡ GINGERINO ¡ ¡ best ¡ 2019 ¡ ~5 . 10 -­‑3 ¡ 10 ¡days ¡ perimeter ¡ >4-­‑16m ¡ ¡ ~1 ¡m ¡ >3-­‑4km ¡ ~1-­‑10cm, ¡11 ¡cm 2 ¡ (also ¡~100 ¡m) ¡ Angela ¡Di ¡Virgilio, ¡TOYAMA, ¡September ¡9 ¡ TAUP ¡2019 ¡ 2019 ¡

INERTIAL ¡ANGULAR ¡ROTATION ¡MEASUREMENT ¡ GINGERINO ¡14.4m 2 ¡ OFG ¡ Small ¡ring ¡laser ¡ ROMY ¡62.3m 2 ¡ G-­‑Pisa ¡5.4m 2 ¡ GP2 ¡6.4m 2 ¡ ¡ G ¡ ¡( WeOzell) ¡16m 2 ¡ Aircraft Submarine Navigation Navigation 10 -­‑4 ¡ 10 -­‑6 ¡ 10 -­‑8 ¡ 10 -­‑10 ¡ 10 -­‑12 ¡ 10 -­‑14 ¡ rad/s ¡ ¡ ¡ General Seismics Earth Tides Relativity ¡ ¡ Earth Rotation Fluctuations of Atom ¡gyros ¡ Passive ¡gyro ¡ Rate Earth rotation Tectonic ¡plaque ¡ Impossible ¡to ¡dis:nguish ¡among ¡geophysics ¡and ¡fundamental ¡physics ¡signals ¡ Angela ¡Di ¡Virgilio, ¡TOYAMA, ¡September ¡9 ¡ TAUP ¡2019 ¡ 2019 ¡

INFN/FUNDAMENTAL ¡PHYSICS ¡ ¡GINGER: ¡Gyroscopes ¡IN ¡GEneral ¡RelaOvity ¡ Lense ¡Thirring ¡effect, ¡on ¡Earth, ¡1% ¡precision ¡ ¡ ‘measurement ¡depending ¡on ¡laOtude’ ¡ Not ¡averaged ¡ GravitaOonal ¡map ¡not ¡required ¡ ¡ ConfrontaOon ¡space/earth ¡based ¡apparatus? ¡ ¡ ¡ INFN ¡Sec;ons: ¡Pisa, ¡LNGS, ¡Legnaro, ¡Napoli ¡Department ¡of ¡Physics ¡of ¡Pisa ¡ (condensed ¡maNer ¡and ¡applied ¡physics) ¡ ¡ Angela ¡Di ¡Virgilio, ¡TOYAMA, ¡September ¡9 ¡ TAUP ¡2019 ¡ 2019 ¡ ¡

LORENZ ¡VIOLATION ¡AND ¡SAGNAC ¡GYROSCOPES ¡ J. ¡TASSON ¡ET ¡AL. ¡ARXIV:1907.05933 ¡ Angela ¡Di ¡Virgilio, ¡TOYAMA, ¡September ¡9 ¡ TAUP ¡2019 ¡ 2019 ¡

2017 ¡PAPERS ¡DEFINES ¡THE ¡REQUIREMENTS ¡FOR ¡GINGER ¡ Highlighted ¡by ¡springer ¡and ¡eurekalert ¡ Highlighted ¡as ¡‘Change ¡the ¡World’ ¡ The ¡most ¡pres;gious ¡Repubblica ¡e ¡Nature ¡ ¡ For ¡example: ¡ ¡ General ¡rela:vity ¡Going ¡underground ¡ Luke ¡Fleet ¡ Nature ¡Physics ¡ volume ¡13 , ¡page ¡321 ¡(2017) ¡ ¡ Europhysics ¡news ¡ Angela ¡Di ¡Virgilio, ¡TOYAMA, ¡September ¡9 ¡ TAUP ¡2019 ¡ 2019 ¡

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WHAT ¡GINGER ¡DELIVERS ¡ • VariaOon ¡ (fast) ¡ of ¡ the ¡ earth ¡ rotaOon ¡ rate ¡ with ¡ relaOve ¡precision ¡~ ¡10 -­‑9 -­‑10 -­‑12 ¡ • VariaOon ¡of ¡the ¡rotaOon ¡axis ¡(local) ¡ • Lense ¡Thirring ¡1% ¡comparing ¡with ¡IERS ¡data ¡ • Amplitude ¡ at ¡ the ¡ sidereal ¡ day ¡ modulaOon ¡ (Lorenz ¡ Invariance) ¡ ¡ Highly ¡MulO-­‑disciplinar ¡ Angela ¡Di ¡Virgilio, ¡TOYAMA, ¡September ¡9 ¡ TAUP ¡2019 ¡ 2019 ¡

SO ¡FAR ¡.. ¡ • Scale ¡Factor ¡control: ¡square ¡device, ¡built ¡close ¡to ¡regular ¡square ¡ (microns ¡level) ¡and ¡control ¡the ¡diagonals ¡of ¡the ¡square ¡ • Developed ¡all ¡necessary ¡tools ¡to ¡measure ¡the ¡square ¡geometry ¡ with ¡enough ¡accuracy ¡( µ m) ¡ • We ¡are ¡developing ¡and ¡tes@ng ¡a ¡new ¡mechanical ¡scheme ¡to ¡reduce ¡ coupling ¡between ¡different ¡mirrors, ¡in ¡order ¡to ¡avoid ¡rota@ons ¡ induced ¡by ¡external ¡forces ¡ • New ¡analysis ¡to ¡take ¡into ¡account ¡laser ¡dynamics ¡ We ¡are ¡ready ¡for ¡GINGER ¡ This ¡apparaus ¡can ¡be ¡‘ac:ve’ ¡or ¡‘passive’ ¡ Angela ¡Di ¡Virgilio, ¡TOYAMA, ¡September ¡9 ¡ TAUP ¡2019 ¡ 2019 ¡

…but ¡let ¡us ¡go ¡back ¡to ¡sensi@vity… ¡ Angela ¡Di ¡Virgilio, ¡TOYAMA, ¡September ¡9 ¡ TAUP ¡2019 ¡ 2019 ¡

Shot ¡noise ¡limit ¡(square ¡RLG) ¡ � � ��� � ��� ����� �������� ��� ����� �� ����� � ������ ��� � �� ��� ���� ����� ��� �������� ����� ������ ��������� ��� ������ �� ���� ������ � �� ��� ������ ���� � � �� ��� ������� ������ �� ��� ������� ������ ��� ���� ����� ������� �� ��� ����� ��� ������� ��� ���������� ��� ��� ����������� ���� � � � ν � � � � � ������ ω �� = ω �� = � � � � ������ � � � � π � �� ν � � Angela ¡Di ¡Virgilio, ¡TOYAMA, ¡September ¡9 ¡ TAUP ¡2019 ¡ 2019 ¡

SENSITIVITY ¡& ¡STABILITY ¡ Cavity Total Losses 6 ppm ( mirrors with present status of art), intracavity power 20mW − 12 10 1 hour integration time 10 − 9 Earth rot. rate − 13 10 1 day integration time Angular Velocity [rad/s] − 14 10 1 week integration time 100 days integration time − 15 10 6 years integration time − 16 10 10 − 12 Earth rot. rate − 17 10 0 1 10 10 Side Length [m] Angela ¡Di ¡Virgilio, ¡TOYAMA, ¡September ¡9 ¡ TAUP ¡2019 ¡ 2019 ¡

¡ PROTOTYPES ¡ARE ¡VERY ¡USEFUL ¡TO ¡IMPROVE ¡THE ¡DESIGN ¡ AND ¡THE ¡COMPREHENSION ¡OF ¡THE ¡INSTRUMENT ¡ ¡ improve ¡the ¡ take ¡data ¡and ¡ mechanics ¡ compare ¡with ¡ model ¡of ¡the ¡ improve ¡the ¡ mechanics ¡ data ¡analysis ¡ take ¡data ¡and ¡ compare ¡with ¡ evaluate ¡ model ¡of ¡the ¡ residuals ¡ ring ¡laser ¡ dynamics ¡ looks ¡for ¡ known ¡signals, ¡ polar ¡mo@on ¡ and ¡Chandler ¡ Wobbler ¡ Angela ¡Di ¡Virgilio, ¡TOYAMA, ¡September ¡9 ¡ TAUP ¡2019 ¡ 2019 ¡

GINGERINO ¡is ¡heterolithic ¡ Angela ¡Di ¡Virgilio, ¡TOYAMA, ¡September ¡9 ¡ TAUP ¡2019 ¡ 2019 ¡

GINGERINO ¡ • GINGERINO is based on a rather simple mechanical set up, but, taking advantage of the low noise and high thermal stability of the cave, has been able to provide extremely interesting and high sensitivity measurements • It runs unattended with duty cycle > 95% and sensitivity below nrad/s in 1 second Angela ¡Di ¡Virgilio, ¡TOYAMA, ¡September ¡9 ¡ TAUP ¡2019 ¡ 2019 ¡

SEISMOLOGY GINGERINO is the only high sensitivity RLG operative in a seismically active area Angela ¡Di ¡Virgilio, ¡TOYAMA, ¡September ¡9 ¡ TAUP ¡2019 ¡ 2019 ¡