¿Por qué los tubos de rayos de LIGO son tan anchos?

Question

Los detectores de ondas gravitacionales y los aceleradores de partículas tienen al menos una cosa en común: requieren largos tubos de vacío a través de los cuales se dispara un haz estrecho (un láser en el caso de las ondas gravitacionales, un haz de partículas en el caso del acelerador). En ambos casos, el tubo de vacío es muchos órdenes de magnitud más ancho que el propio haz. Pero curiosamente, mientras que los tubos de vacío del LHC son 6,3 cm de diámetro Los de LIGO son unas 20 veces más amplios en 1,2 m de diámetro .

Así que mi pregunta es: ¿por qué los tubos de vacío de LIGO son tan anchos? Esto debe haber sido una consideración consciente de diseño, ya que significa que se debe mantener un volumen mucho mayor de vacío, y se debe utilizar más material para construir el tubo. La principal consideración para la anchura del tubo que se me ocurre es que hay que ser capaz de apuntar el haz dentro de la anchura asignada, pero seguramente por estos motivos LIGO podría haber salido adelante con un tubo mucho más estrecho. (En realidad, no tengo ni idea, ¿es éste el factor decisivo para la anchura del tubo en el LHC?)

Answer 1

El haz de LIGO es de 200 W tal y como se genera en el limpiador del modo de entrada; el haz se recicla entonces múltiples veces en los brazos, aumentando la densidad de potencia de forma significativa. Esto requiere una óptica de gran tamaño con revestimientos casi perfectos para evitar daños por "puntos calientes/fríos" debidos a varios tipos de posibles defectos.

Pero hay una razón adicional para el gran tamaño de la viga, y cito de LIGO avanzado , sección 2.1: " Para reducir el ruido térmico de la masa de prueba, el tamaño del haz en las masas de prueba se hace tan grande como sea práctico para que promedie sobre más superficie del espejo. El mecanismo de ruido dominante en este caso es la pérdida mecánica en los revestimientos dieléctricos de los espejos, para lo cual el ruido térmico de desplazamiento se escala inversamente con el tamaño del haz. Esta reducción del ruido térmico se equilibra con el aumento de la pérdida de apertura y la disminución de la estabilidad del modo con haces más grandes. "

Inspección de la óptica de LIGO en busca de contaminantes.

Cuando era estudiante de posgrado, a principios de la década de 1990, trabajamos en técnicas extremadamente sensibles y no destructivas basadas en la óptica no lineal que podían encontrar los defectos del revestimiento: ubicación y clasificación. Nuestro detector escaneaba la superficie y registraba los cambios de amplitud y fase basados en el efecto fototérmico, por lo que siempre me interesa personalmente el éxito de LIGO; después de todo, ¡me ayudaron a pagar mi carrera!

Ver El láser de LIGO aquí .

LIGO Hanford.

Answer 2

Esto debe haber sido una consideración de diseño consciente, ya que significa que un volumen mucho mayor de vacío debe ser mantenido

Aunque no creo que sea lo que motivó a LIGO, el volumen no es tan importante en el alto vacío como la superficie. Una vez que la cámara ha sido bombeada, el nivel de vacío final se establece por la tasa de desorción/salida de gases de las moléculas que se han adherido a las paredes de la cámara.

Pero aún así, dices, la cámara más grande tiene una superficie mayor que la más pequeña.

La velocidad de bombeo de las moléculas de gas residual viene determinada en parte por el área de la sección transversal: cuanto mayor sea el área, más rápidamente se difundirán las moléculas y "caerán" en la bomba. En realidad, el caudal es proporcional al diámetro al cubo [wikipedia] .

La relación entre la superficie y el volumen es menor en las cámaras más grandes, lo que significa que para una tasa determinada de desgasificación por superficie, hay una menor densidad de moléculas de gas en la cámara.

En resumen, puede ser más fácil conseguir un mejor vacío en las cámaras más grandes que en las más pequeñas.

Sin embargo, en última instancia, hay compensaciones que limitan el tamaño de la cámara: por ejemplo, se necesitan bombas más grandes. En el LHC, es necesario tener criogenia y bobinas de imanes alrededor de la trayectoria del haz, que no son factibles de hacer mucho más grandes.

Answer 3

Algunas razones adicionales no mencionadas en las otras respuestas:

• Pérdidas por recorte : Los haces gaussianos caen exponencialmente, por lo que cualquier tubo de tamaño finito provocará una pequeña pérdida de potencia. Las reglas de diseño típicas al realizar un diseño óptico de este tipo de instrumentos es que no se pierda más de una parte por millón de la luz debido a las aberturas de tamaño finito. En el caso de Advanced LIGO, el radio del haz en los espejos extremos es de 6 cm, pero el diámetro de los espejos es de 34 cm .

• Luz dispersa Los interferómetros LIGO son tan sensibles porque miden una distancia entre espejos aislados sísmicamente. Sin embargo, debido a las imperfecciones de la óptica, parte de la luz se dispersa fuera del haz principal, choca con un tubo de vacío que vibra y vuelve a entrar en el haz, lo que produce una variación no deseada en la fase de la luz. Ésta es una de las fuentes de ruido técnico de las que es muy difícil deshacerse. Como precaución, se colocan deflectores absorbentes a lo largo del tubo. Estos ocupan una cantidad de espacio no despreciable.

• Imperfecciones en la rectitud del tubo como un ejemplo, el Interferómetro Virgo se encuentra muy cerca de una ciudad que es conocida principalmente por un edificio hundiéndose en el suelo . En los últimos 15 años, el tubo de vacío y los edificios que lo sostienen se han hundido hasta 10 cm en algunos lugares. Este efecto se controla cada año, y el tubo se levanta cuando es demasiado, pero se necesita un poco de margen para ello.

• Funcionamiento de más de un interferómetro en el mismo tubo : En LIGO Hanford, dos interferómetros funcionaron inicialmente uno al lado del otro dentro de la misma caja de vacío: H1 que utilizaba los 4 km completos de ambos brazos, y H2 que tenía brazos de 2 km, con los espejos finales suspendidos en una estación a mitad de camino del tubo. La idea es que dos instrumentos situados en el mismo lugar pueden ofrecer algunas ventajas en el análisis de los datos (por ejemplo, la construcción de un flujo nulo señal, que no contendría una señal de onda gravitacional, sino que mostraría perturbaciones técnicas ). En la práctica, esto no fue tan útil como esperaban. Para Advanced LIGO, la idea original era instalar dos interferómetros de 4 km en paralelo dentro del mismo tubo, pero cambiaron de opinión y ' donado ' la óptica a la India, para construir INDIGO .