Extreme precisie interferometer

[Professor Puntje]

Wat ik aan interferometers niet begrijp is de extreme precisie die er tegenwoordig mee haalbaar is. Laatst ook weer met de detectie van zwaartekrachtgolven. Hoe kan het dat de lengte van een kilometers lange buis tot op een minieme fractie van de doorsnede van een atoom gelijk blijft?

 

http://www.ego-gw.it/virgodescription/pag_3.html

 

Ik neem aan dat men de zaak goed heeft onderzocht en dat het dus ook zo is, maar ik kan er met mijn pet niet bij. Er zijn toch altijd trillingen en storingen die veel en veel groter zijn en waarin een dergelijk minuscuul signaal eenvoudigweg zou verzuipen? Wie legt het mij uit?

[Michel Uphoff]

Ik denk dat een echt overtuigend antwoord niet hier gegeven kan worden.
 
Niet omdat het er niet is, maar omdat het zo veelomvattend is dat slechts enkele mensen ter wereld in staat zullen zijn een volledig overtuigende verklaring voor de verbluffende gevoeligheid (niet de nauwkeurigheid, die ligt zo rond de 10%) te geven.
 
Wellicht kan iemand een overtuigende uitleg geven van bijvoorbeeld de actieve en passieve bewegingsdemping van de zware spiegels, of van het cancelen van thermische ruis in de spiegels, het wegwerken van de effecten van wisselende fotondruk, de gunstige invloed van het ultradiepe vacuüm, de extreme stabiliteit van de laser, en de verbluffende nauwkeurigheid van de gebruikte optiek en dat soort min of meer op zich zelf staande systemen. Ook zullen enkelen wellicht een goed inzicht kunnen geven in de zeer geavanceerde filtering en verwerking van de enorme hoeveelheid data, waardoor een extreem zwak signaal toch uit een ruisende achtergrond kan worden gevist.
 
Dat zal nog wel lukken, maar het zal niet overtuigen omdat het slechts een gering deel van het geheel omvat.
 
Er werken honderden feedback- en controlesystemen in Ligo samen. Ieder systeem is een wetenschappelijk en technisch hoogstandje, en ik vrees dat je er een complete studie van zal moeten maken voor je de (samen)werking van al deze geavanceerde systemen op hun merites kan beoordelen, dus voor je er van overtuigd kan worden dat deze ongehoorde precisie werkelijk haalbaar is.

[Professor Puntje]

Ik vrees dat je gelijk hebt. Daarmee gaat wel een belangrijk basisprincipe van de wetenschap verloren, namelijk de idee dat resultaten in principe voor iedereen controleerbaar moeten zijn. Veel draait nu om de mate waarin je onderzoeksgroepen en instituties vertrouwt.

Wellicht kunnen we door het vergelijken van onafhankelijke onderzoeksresultaten nog wel iets verder komen. Zo vraag ik mij af hoe constant de lengtes van de "armen" van je eigen interferometer zijn. Hoe groot is het effect van rondwandelen in de buurt, het opzetten van muziek, het aan of uitzetten van de verwarming, etc. Dat zou al een indruk geven van de precisie waarmee je al zonder alle toeters en bellen van het wetenschappelijk onderzoek variaties in afstanden kunt meten.
 
Verder vraag ik mij af of gravitatiegolven inmiddels ook onafhankelijk aangetoond zijn, waarmee ik bedoel dat onafhankelijk werkende teams eenzelfde golf in de data gevonden hebben zonder dat men elkaar erop gewezen heeft waar men in de berg met ruis moet gaan zoeken.

[klazon]

Daarmee gaat wel een belangrijk basisprincipe van de wetenschap verloren, namelijk de idee dat resultaten in principe voor iedereen controleerbaar moeten zijn. 

Ik denk dat het wel meevalt. De resultaten zijn vast wel controleerbaar, maar niet voor iedereen. Je moet wel voldoende basiskennis hebben om te kunnen controleren. Gezien de complexiteit van dit soort experimenten is dat maar voor weinigen weggelegd. Voor mij in ieder geval niet. Ik begrijp het principe, maar daar is dan ook alles mee gezegd. Alle bijverschijnselen die het resultaat kunnen beïnvloeden gaan me boven de pet, en daar doe ik niet eens moeite voor.

[Michel Uphoff]

Zo vraag ik mij af hoe constant de lengtes van de "armen" van je eigen interferometer zijn. Hoe groot is het effect van rondwandelen in de buurt, het opzetten van muziek, het aan of uitzetten van de verwarming, etc.

 
Je bedoelt die van mij zelf die ik kort geleden gebouwd heb? Zo ja, dan kan ik er wel wat over vertellen.

[Professor Puntje]

Je bedoelt die van mij zelf die ik kort geleden gebouwd heb? Zo ja, dan kan ik er wel wat over vertellen.

 
Inderdaad. Ik zou graag weten wat de precisie van een "gewone" interferometer al is. Dan hebben we een vergelijkingspunt waarmee we de precisie van de moderne grootschalige interferometers kunnen vergelijken die voor de detectie van zwaartekrachtsgolven gebruikt worden.

[Michel Uphoff]

Dat is niet te vergelijken.

 

Mijn interferometer is behoorlijk stabiel (althans, voor zo'n zelfgebouwd goedkoop ding).

De golflengte van de groene laser is 532 nm, en ik kan verschillen van pakweg 1/10 fringe zien, oftewel zo'n 25 nm. Mogelijk zou ik dat met nauwkeurige metingen van de helderheid nog op kunnen schroeven naar 10 of 5 nm.

Omdat de Newtonspiegeltjes, als ik ze op ongeveer dezelfde afstand van de 50/50 spiegel zet ongeveer dezelfde afstand houden bij temperatuurwisselingen (de stalen ondergrond rekt/krimpt dan mooi gelijkmatig), is het beeld zeer stabiel. Ook van trillingen heeft het toestel vrijwel geen last, voornamelijk door de stijfheid en massa van de bodemplaat die op rubberen pootjes staat.

 

Dit geldt voor de opstelling als interferometer op één grondplaat:

Bench1 943 keer bekeken

 

Wel zie ik de effecten van 'wind' heel goed. Als ik langs het ding loop dan verplaats ik lucht, die wat temperatuur- en drukverschil en dus een verschil in brekingsindex kent. Dan zie ik in het beeld makkelijk een of twee fringes verplaatsing. 

 

Een heel ander verhaal wordt het als ik het instrument verdeel over beide grondplaten met wat onderlinge afstand. Dan leidt ieder stapje in huis en iedere temperatuurvariatie tot wilde verplaatsingen van de ringen. En als ik het licht verticaal naar een hulpspiegeltje onderdaan een soort meetbalkje stuur, zoals in deze afbeelding, dan is praten al genoeg om de fringes te laten verlopen. Vooral rond de resonantiefrequentie van de kamer (kennelijk zo'n 137 Hz) is een miniem geluidje op meters afstand al heel goed in de fringes te zien.

 

verticaal 943 keer bekeken

 

Maar de 5.10^-9 meter gevoeligheid die ik met dat toestel mogelijk zou kunnen halen is nog ruim 10 magnituden boven wat nodig is om gravitatiegolven te detecteren. Ik houd mij natuurlijk aanbevolen voor de donatie van een paar kekke Fabry-Pérot resonantieholten, ultradiep vacuümkamers, wat state of the art optica en een stabiele laser in plaats van dat el cheapo toestel waar ik het nu mee moet doen. Daar haal ik het ook niet mee, maar gevoeliger wordt het wel   .

[Professor Puntje]

Kun je op basis van je ervaringen met je eigen toestel een schatting maken hoeveel de lengte van de buizen van VIRGO en soortgelijke toestellen uit zichzelf al zal schommelen (ook als er niets bijzonders aan de hand is).

[Marko]

Ik vrees dat je gelijk hebt. Daarmee gaat wel een belangrijk basisprincipe van de wetenschap verloren, namelijk de idee dat resultaten in principe voor iedereen controleerbaar moeten zijn. 

 
Dat zijn ze ook. Alles staat beschreven en is niet alleen in principe controleerbaar.

[Michel Uphoff]

een schatting maken

 
Nee, dat lukt zo niet. Maar of het echt belangrijk is betwijfel ik.
 
Hoeveel de buislengte varieert is niet zo belangrijk, als die beweging maar zo volledig mogelijk gecompenseerd wordt. Ligo maakt daarvoor gebruik van, als ik het goed zie, 7 verschillende compensatie/feedbackmechanismen die ieder uit 3 apparaten bestaan. In principe worden de tesmassa's (spiegels) d.m.v. ultranauwkeurige actieve feedback continue tegengesteld aan de bewegingen van de aardbodem bewogen. Die actieve demping/correctie wordt tezamen het ISI (Internal Seismic Isolation) systeem genoemd. Uit mijn hoofd geeft dit actieve systeem een positioneringsnauwkeurigheid van 10^-11.
 
Het actieve systeem is in zijn geheel weer opgenomen in een passief systeem dat op basis van inertie werkt. Zoals ik in het zwaartekrachtgolventopic toelichtte is dat passieve systeem in principe heel eenvoudig. Aan draden wordt een zware massa opgehangen, en beweging binnen een bepaald frequentiebereik van het ophangpunt van de draden zal vanwege inertie maar voor een zeer gering deel aan die hangende massa worden doorgegeven. Deze massa fungeert weer als ankerpunt voor nieuwe draden met daaraan weer een inerte massa, en daaronder nog zo'n trap en nog een. Dit viertraps (horizontale en verticale) pendulesysteem leidt er toe dat de laatste massa in het systeem, de spiegel (testmassa) zo goed als perfect stil hangt.
 
Een horizontaal dempingssysteempje is thuis eenvoudig na te bootsen met een stukje touw waaraan met regelmatige tussenpozen wat zwaardere dingen zijn geknoopt, koffiebekers bijvoorbeeld. Beweeg het touwtje bovenin heen en weer, en je zal zien dat de onderste beker zo goed als stil blijft hangen.
 
Voor diepgaander informatie over het actieve dempingssysteem kan je bijgevoegd paper eens doornemen.
 
Dan ook nog even terugkomend op jouw opmerking:
 

namelijk de idee dat resultaten in principe voor iedereen controleerbaar moeten zijn

 
Dat is het geval. Er zijn een paar decaden aan designstudies en specificaties aan Ligo vooraf gegaan. Ieder onderdeel moest voldoen aan nauwkeurig vastgelegde parameters, tezamen leiden alle onderdelen tot de gewenste gevoeligheid. Al die specificaties zijn openbaar, maar ik vrees dat er daarvoor honderden papers doorgewerkt moeten worden. In de tweede bijlage een kort overzicht, het zogenoemde reference design.
 

Seismic isolation of Advanced LIGO

(1.62 MiB) 376 keer gedownload

AdL-reference-design-v2

(2.23 MiB) 1940 keer gedownload

[Professor Puntje]

@ Michel Uphoff

Dank voor de uitleg van de demping. Dat maakt het voor mij al veel duidelijker hoe men ondanks de grote lengte van de buizen de spiegels toch met zeer hoge precisie stil kan krijgen.

Mijn bezwaar van de controleerbaarheid blijft evenwel overeind staan. Inderdaad kan in principe iedereen het experiment gaan controleren, maar in de praktijk kost dat zoveel energie, tijd en moeite dat dit slechts voor een enkeling is weggelegd. Overigens weet ik zelf ook niet hoe je dat probleem bij de voortgaande specialisatie in de wetenschap nog moet oplossen.