COMPOSIZIONE DEI GRUPPI DI RICERCA: A) - RICERCATORI10 Castellini Guido CNR 2 70 30 11 Conforto...

Alt

ri_i

mp

egn

i

I III IV V

ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEAREPreventivo per l'anno

COMPOSIZIONE DEI GRUPPI DI RICERCA: A) - RICERCATORIComponenti del Gruppo e ricerche alle quali partecipano:

2002

AU

RIG

A

WIZ

AR

D

MA

GIA

VIR

GO

Cognome e Nome

Qualifica

Dipendenti Incarichi

Ruolo Ricerca Assoc.

Affer. al

Gruppo

RICERCHE DEL GRUPPO IN % Percentuale impegno

in altri GruppiN.

AIR

WA

TC

H-

RD

Coordinatore:

Gruppo

2FIRENZE

Struttura

Filippo Martelli

Art. 23

1 Adriani Oscar 2 2080R.U.

2 Becattini Francesco 501 30R.U.

3 Blasi Pasquale 502AsRic

4 Bonechi Lorenzo 2 100Dott.

5 Bottai Sergio 702 30AsRic

6 Bracci Luca 2 100Dott.

7 Bratina Vojko 702 20INOA

8 Calamai Giovanni 2 60OSS.

9 Cartacci Annamaria 502 50P.A.

10 Castellini Guido 2 3070CNR

11 Conforto Giovanni 2 90P.O.

12 Corti Gianni 602AsRic

13 Cuoco Elena 2 100Ric

14 D'Alessandro Raffaello 1 7030R.U.

15 De Rosa Maurizio 2 100AsRic

16 Fattori Marco 2 100Dott.

17 Guetta Dafne 302AsRic

18 Guidi Gianluca 2 90R.U.

19 Inguscio Massimo 2 20 30P.O.

20 Landi Gregorio 301 50 20P.A.

21 Losurdo Giovanni 2 100AsRic

22 Marchionni Alberto Ric 2

23 Marin Francesco 2 70R.U.

24 Martelli Filippo 2 6040R.U.

25 Mazzinghi Piero 502 20INOA

26 Mazzoni Massimo 1 50R.U.

27 Minardi Francesco 2 20INFM

28 Pace Emanuele 502 20R.U.

29 Papini Paolo Ric 2 100

30 Perego Andrea 2 20 80P.A.

31 Romoli Marco 502R.U.

32 Sona Pietro 303 70P.O.

33 Spillantini Piero 202 2060P.O.

34 Stanga Ruggero 2 80R.U.

INSERIRE I NOMINATIVI IN ORDINE ALFABETICO (N.B. NON VANNO INSERITI I LAUREANDI)

Ricercatori 7.1 1.9 5.6 3.3 8.0

Note:

Mod. G. 1

1) PER I DIPENDENTI: Indicare il profilo INFN2) PER GLI INCARICHI DI RICERCA: Indicare la Qualifica Universitaria (P.O, P.A, R.U) o Ente di appartenenza3) PER GLI INCARICHI DI ASSOCIAZIONE: Indicare la Qualifica Universitaria o Ente di appartenenza per Dipendenti altri Enti;

Bors.) Borsista; B.P-D) Post-Doc; B.Str.) Borsista straniero; Perf.) Perfezionando; Dott.) Dottorando; AsRic) Assegno di ricerca; S.Str.) Studioso straniero;

DIS) Docente Istituto Superiore4) INDICARE IL GRUPPO DI AFFERENZA

LA PERCENTUALE DI IMPEGNO NEGLI ESPERIMENTI SI RIFERISCE ALL’IMPEGNO TOTALE NELLA RICERCA, ANCHE AL DI FUORI DELL’INFN

Alt

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mp

egn

i

I III IV V

ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEAREPreventivo per l'anno

COMPOSIZIONE DEI GRUPPI DI RICERCA: A) - RICERCATORIComponenti del Gruppo e ricerche alle quali partecipano:

2002

AU

RIG

A

WIZ

AR

D

MA

GIA

VIR

GO

Cognome e Nome

Qualifica


Ruolo Ricerca Assoc.

Affer. al

Gruppo

RICERCHE DEL GRUPPO IN % Percentuale impegno

in altri GruppiN.

AIR

WA

TC

H-

RD

Coordinatore:

Gruppo

2FIRENZE

Struttura

Filippo Martelli

Art. 23

34 Stanga Ruggero 2 80R.U.

35 Stuhler Juergen 2 100B.P.D.

36 Tasselli Pier Lorenzo 502 20R.U.

37 Tino Guglielmo M. 2 80P.O.

38 Tiribilli Bruno 502 20INOA

39 Vannuccini Elena 2 100Dott.

40 Vetrano Flavio 2 90P.O.

INSERIRE I NOMINATIVI IN ORDINE ALFABETICO (N.B. NON VANNO INSERITI I LAUREANDI)

Ricercatori 7.1 1.9 5.6 3.3 8.0

Note:

Mod. G. 1

1) PER I DIPENDENTI: Indicare il profilo INFN2) PER GLI INCARICHI DI RICERCA: Indicare la Qualifica Universitaria (P.O, P.A, R.U) o Ente di appartenenza3) PER GLI INCARICHI DI ASSOCIAZIONE: Indicare la Qualifica Universitaria o Ente di appartenenza per Dipendenti altri Enti;

Bors.) Borsista; B.P-D) Post-Doc; B.Str.) Borsista straniero; Perf.) Perfezionando; Dott.) Dottorando; AsRic) Assegno di ricerca; S.Str.) Studioso straniero;

DIS) Docente Istituto Superiore4) INDICARE IL GRUPPO DI AFFERENZA

LA PERCENTUALE DI IMPEGNO NEGLI ESPERIMENTI SI RIFERISCE ALL’IMPEGNO TOTALE NELLA RICERCA, ANCHE AL DI FUORI DELL’INFN

Assoc.Tecnologica

COMPOSIZIONE DEI GRUPPI DI RICERCA: B) - TECNOLOGI

Componenti del Gruppo e ricerche alle quali partecipano:

Cognome e Nome

Qualifica


Ruolo Art.23

RICERCHE DEL GRUPPO IN % Percentuale impegno in altri Gruppi

I III IV V

N.

AU

RIG

A

WIZ

AR

D

MA

GIA

VIR

GO

AIR

WA

TC

H-

RD

ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEAREPreventivo per l'anno 2002

Alt

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mp

egn

i

Coordinatore:

Gruppo

2FIRENZE

Struttura

Filippo Martelli

1 Cecchini Roberto I Tecn 20 80

2 Celletti Franco Tecn 40 60

3 Fabbroni Leonardo 50Oss

4 Fort Chiara 30LENS

5 Straulino Samuele 100Bors.

Mod. G. 2

1) PER I DIPENDENTI: Indicare il profilo INFN2) PER GLI INCARICHI DI ASSOCIAZIONE: Indicare Ente da cui dipendono, Bors. T.) Borsista Tecnologo

Note:

Alt

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i

COMPOSIZIONE DEI GRUPPI DI RICERCA: C) - TECNICI Componenti del Gruppo e ricerche alle quali partecipano:

Cognome e Nome

QualificaDipendenti Incarichi

Ruolo Art.36 Collab.tecnica

Assoc.tecnica

RICERCHE DEL GRUPPO IN % Percentuale impegno in altri Gruppi

I III IV V

N.

AU

RIG

A

WIZ

AR

D

MA

GIA

VIR

GO

AIR

WA

TC

H-

RD


Coordinatore:

Gruppo

2FIRENZE

Struttura

Filippo Martelli

Ballerini Riccardo1 30LENS

Di Franco Salvatore2 50Univ.

Dominici Pietro3 50U.Urb.Gabbanini Andrea4 80IROE

Giarrizzo Giuseppe 305 Univ.

Giuntini Mauro6 30LENS

Grandi Mauro Cter7 80 20

Martellini Aldemiro8 30U.Urb.Masi Manuela Cter9 40 30 30

Ricci Costantino Cter10 10

Tesi Mauro11 80IROE

Mod. G. 3

1) PER I DIPENDENTI: Indicare il profilo INFN2) PER GLI INCARICHI DI COLLABORAZIONE TECNICA: Indicare Ente da cui dipendono

2) PER GLI INCARICHI DI ASSOCIAZIONE TECNICA: Indicare Ente da cui dipendono

Note:

Mod. G. 4

PREVISIONE DELLE SPESE DI DOTAZIONE E GENERALI DI GRUPPO

VOCI DI SPESA DESCRIZIONE DELLA SPESAIMPORTI

Parzial i TotaleCompet.

In kEuro

Via

gg

i e

Mis

sio

ni

Estero

Interno

Materialedi Consumo

Pubblicazioni Scientifiche

Spese Calcolo

Affitti e

Manutenzione

Apparecchiature

(1)

Dettaglio della previsione delle spese del Gruppo che non afferisconoai singoli Esperimenti e per l’ampliamento della Dotazione di base del Gruppo

Materiale

Inventariabile

Spese Seminari

(1) Indicare tutte le macchine in manutenzione

Trasporti e facch.


14,5

Viaggi per contatti scientifici 12,5Collaborazione con esperimento CUORE 2,0

35,0

Partecipazione a scuole e conferenze 19,5Attivita' di G. Conforto per il Particle Data Group 10,0Collaborazione con esperimento CUORE 3,0Contatti per fine attivita' NOMAD 2,5

1,51,5

25,0

48,0

Consumi di laboratorio e metabolismo del gruppoLiquidi e materiali criogenici, lavorazioni meccaniche e

23,0componenti per esperimento CUORE

TOTALI

Consorzio Ore CPU Spazio Disco Cassette Altro

64,0

5,6

72,5

178,1

Per attrezzature di base del gruppo, test e sviluppi

5,6

8,5Dewar per He4 esperimento CUORE

Vedi nota allegata

1,01,0

Gruppo

2FIRENZE

Struttura

Manutenzioni Gr. II per il 2002

Sezione di Firenze

Esperimento Sede Uso Nodo TCP/IP Sistema Num. DEC Costo (MLit) Costo (kEuro)

NOMAD Urbino Analisi dati AXUB01 193.205.2.50 AXP3000/600 94006182700 3,3 1,7NOMAD Urbino Analisi dati AXUB02 193.205.2.30 Alpha 600 5/266 96024363403 2,3 1,2NOMAD Firenze Analisi dati AXNOM1 192.84.145.29 AXP3000/600 95016750600 3,1 1,6WIZARD Firenze Analisi dati ALPHA2 192.84.146.51 Alpha 200 4/166 96024363401 2,2 1,1

TOTALE 10,9 5,6

10,0 15,0 76,0 5,0 106,0AIRWATCH-RD

5,0 5,0 10,0 17,5 37,5AURIGA

25,0 75,0 25,0 3,0 11,0 139,0WIZARD

NOMAD

4,0 6,0 20,0 10,030,0 70,0MAGIA

67,0 6,0 26,0 56,040,0 195,0VIRGO

Miss. interno

Miss. estero

Mater.di cons.

Trasp. e Facchin.

Spese Calc.

Mater.Invent.

Costruz. Appar.

TOT.Compet.

Mod. G.5

Totali (A+B+C)

PREVISIONE DELLE SPESE PER LE RICERCHE

SIGLA

ESPERIMENTO

RIEPILOGO DELLE SPESE PREVISTE PER LE RICERCHE DEL GRUPPO In kEuro

Pubbl. Scient.

Spese Semin.

S P E S A P R O P O S T A

A)

Esp

erim

enti

o In

iz.S

pec

ific

he

Gr.

IV in

Co

rso

Totali A)

C) Dotazioni di Gruppo

Totali B)

B)

Esp

erim

enti

o In

iz.S

pec

. Gr.

IV d

a In

izia

re

Aff. eManut. App.

178,1

265,0

725,6

35,0 48,0 1,5 1,0 5,6 72,5

142,0

12,0 46,0 70,0

205,0 3,0 5,6 176,01,5 1,0

66,0

66,0

14,5

71,0

125,5

95,0 111,0 3,0 33,5 282,5


40,0

Gruppo

2FIRENZE

Struttura

INFORMAZIONI GENERALIAstrofisica delle particelle:studio della radiazione cosmica di altissima energia.

Esperimento da installare sulla stazione spaziale internazionale (ISS)

Studio della radiazione cosmica di altissima energia tramite l’osservazione dallo spaziodegli sciami atmosferici estesi prodotti nell’atmosfera terrestre dai raggi cosmici.

Sistema per la rivelazione di fotoni ultravioletti a largo campo di vista, grande apertura,veloce e sensibile alla posizione, da installarsi su ISS e eventualmente su satellite.

Catania, Firenze, Genova, Torino, Trieste

ESA, Universita’ italiane, centri NASA, Universita’ USA, NASDA, RIKEN e vari IstitutiEuropei. L’agenzia di riferimento per l’Italia e’ l’ASI. La lista completa dei proponenti e’negli allegati.

Tre anni di presa dati, con probabile inizio 2007.

Linea di ricerca

Laboratorio ovesi raccolgono i dati

Sigla delloesperimento assegnata

dal Laboratorio

Acceleratore usato

Fascio

(sigla e caratteristiche)

Processo fisico studiato

Apparato strumentale utilizzato

Sezioni partecipanti all'esperimento

Istituzioni esterneall'Ente partecipanti

Durata esperimento

Mod. EC. 1

Esperimento Gruppo

Ricercatoreresponsabile locale:

RappresentanteNazionale:

Struttura diappartenenza:

FIRENZE

005 AIRWATCH-RD 2

Alessandro Petrolini

Genova

Incarico di RicercaFrancesco Becattini

CodiceISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEAREPreventivo per l'anno 2002

Struttura

[email protected]:[email protected]:

(a cura del responsabile locale)

Posizionenell'I.N.F.N.:

PREVENTIVO LOCALE DI SPESA PER L’ANNO 2002 In kEuro

FIRENZE


Struttura

Codice EsperimentoAIRWATCH-RD

Gruppo2005

Resp. loc.: Francesco Becattini

Mat

eria

leC

onsu

mo

Tra

sp.e

fac

ch.

Spe

seC

alco

lo

Affi

tti e

man

uten

z.ap

pare

cchi

at.

Mat

eria

leIn

vent

aria

bile

Cos

truz

ione

App

arat

i

VOCIDI

SPESA

DESCRIZIONE DELLA SPESA

Via

ggi e

mis

sion

i

Est

ero

Inte

rno


Totale

Riunioni collaborazione e contatti con ditte

Licenze software

Riunioni collaborazione

Note:

PC + Dischi

Fotocatodi in diamante CVDMateriali e trattamenti ottici, sorgenti ultraviolettiFLAT PANEL, PMT con elettronica di letturaElettronica di lettura per MAPMTStudio fattibilita' alimentazioniMaterial e trattamenti ottici, sorgenti UV

IMPORTI

ParzialiTotale

Compet.

A cura del la Comm.ne Scienti f ica Nazionale

2,5

10,0

15,0

76,0

5,0

106,0

10,0

15,0

5,0

6,510,040,012,0

5,0

(a cura del responsabile locale)Mod. EC. 2

FIRENZE


Struttura

ALLEGATO MODELLO EC 2Il programma di ricerca del gruppo si articola su 4 attività, seguendo e completando ilprogramma già presentato per il 2001 e solo parzialmente finanziato.

1)Studio fenomenologico di modelli astrofisici di accelerazione di particelle alle energieestreme (> 5.1019 eV).Simulazione della propagazione di neutrini e leptoni di energia estrema nella terra enell'atmosfera. Simulazione della rivelazione di luce di fluorescenza e Cherenkov indottadagli sciami atmosferici; simulazione degli sciami estesi. Partecipazione alla scrittura deicodici off-line dell'esperimento EUSO.

2)Ottimizzazione sistemi ottici alternativi alle lenti di Fresnel. Progetto e realizzazione diprototipi per ottiche di accoppiamento per i fotorivelatori (coll. con Genova)

3)Ricerca e sviluppo per sensori adatti alle specifiche di AIRWATCH, tests funzionali ecomparativi di MAPMT, Flat panel PMT, HPD e studio di fotocatodi ad alta sensibilità (CVD).

4)Studio di fattibilità per le alimentazioni di EUSO in collaborazione con l'industria.


Gruppo2005


In kEuro

Mod. EC. 3

Note:

PREVISIONE DI SPESA: PIANO FINANZIARIO LOCALE

PER GLI ANNI DELLA DURATA DEL PROGETTO

Osservazioni del Diret tore del la Strut tura in meri to al ladisponibi l i tà di personale e di at t rezzature:


FIRENZE

Struttura

Miss. interno

Miss. estero

Mater. di cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo

Affitti emanut.appar.

Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

10,0 15,0 76,0 5,0 106,0

TOTALI 60,0 276,0 20,0 396,0

ANNIFINANZIARI

2002

40,0

10,0 15,0 200,0 15,0 240,0200310,0 15,0 25,0200410,0 15,0 25,02005


Gruppo2005


(a cura del responsabile locale)All. Mod. EC. 2

Cognome e Nome

Qualifica


Ruolo Art. 23 Ricerca Assoc.

Affer. al

Gruppo

Numero totale dei Ricercatori


Gruppo

FIRENZE

2005


Struttura

COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA

RICERCATORI

Cognome e Nome

Qualifica


Ruolo Art. 23 Ass. Tecnol.

TECNOLOGI N N

15,0

7,1Ricercatori Full Time Equivalent

Numero totale dei TecnologiTecnologi Full Time Equivalent

Cognome e Nome

Qualifica


Ruolo Art. 15 Collab.tecnica

Assoc.tecnica

TECNICI N

Numero totale dei Tecnici 1,0

0,3Tecnici Full Time Equivalent

Becattini Francesco 501R.U.1Blasi Pasquale 502AsRic2Bottai Sergio 702AsRic3Bratina Vojko 702INOA4Cartacci Annamaria 502P.A.5Corti Gianni 602AsRic6Guetta Dafne 302AsRic7Landi Gregorio 301P.A.8Mazzinghi Piero 502INOA9Pace Emanuele 502R.U.10Romoli Marco 502R.U.11Sona Pietro 303P.O.12Spillantini Piero 202P.O.13Tasselli Pier Lorenzo 502R.U.14Tiribilli Bruno 502INOA15

Giarrizzo Giuseppe 301

Per

cent

uale

Per

cent

uale

Per

cent

uale

(a cura del responsabile locale)Mod. EC/EN 7



Gruppo

FIRENZE

2005


Struttura

COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA (cont.)

SERVIZI TECNICI Annotazioni:


(a cura del responsabile locale)Mod. EC/EN 7a

Denominazione

Cognome e Nome Associazione

LAUREANDI e DOTTORANDI operanti nel gruppo a giugno 2001

GIURGOLA STEFANO SI Studio della produzione di leptoni τ indotta da neutrini nella crosta terrestre

Titolo della Tesi

mesi-uomo

A. CartacciRelatore/Tutore Keywords

FisicaTesi di:Laurea in

SI

Relatore/Tutore Keywords

Tesi di: in

SI


Tesi di: in

SI


Tesi di: in

SI


Tesi di: in

SI


Tesi di: in

SI


Tesi di: in

SI


Tesi di: in


SI


Tesi di: in

raggi cosmici



Gruppo

FIRENZE

2005


Struttura

Cognome e Nome

LAUREATI e DOTTORI di RICERCA che hanno conseguito il titolo tra luglio 2000 egiugno 2001

(*) TD = tempo determinato TI = tempo indeterminato

TOGNETTI MARCO SI

Rivelazione di raggi cosmici ad energie estreme con l'apparato AIRWATCH

Keywords

dottorato

Altro

Ass.INFN

in

Relatore


Titolo della tesi:

Titolo conseguito Sbocco occupazionale (*)

SI

Keywords Altro

inTitolo della tesi:

SI

Keywords Altro


SI

Keywords Altro


SI

Keywords Altro


SI

Keywords Altro


SI

Keywords Altro


SI

Keywords Altro


SI

Keywords Altro


KEYWORDS

raggi cosmici

Descrizione attività locale (a cura del responsabile locale)

Descrizione attività complessiva dell'esperimento (a cura del responsabile nazionale)

(a cura del responsabile locale)Mod. EC 8(*) TD = tempo determinato TI = tempo indeterminato


Gruppo

FIRENZE

2005


Struttura

CAEN, LABEN Studio di fattibilità del sistema di alimentazione

DENOMINAZIONE DESCRIZIONE PRODOTTO O COMMESSA

INTERAZIONI CON LE INDUSTRIE (COMMESSE HIGH TECH)

commessasviluppo

commessa = acquisto di beni ad alta tecnologia

Percentuale del budget( app+ inv+cons)utilizzata per acquistodi beni high tech:

SVILUPPO DI STRUMENTAZIONE INNOVATIVAe ricadute su altri gruppi, sul sistema industriale e su altre disciplineSviluppo nel campo Ricaduta potenziale gia' riscontrata

campo: Elettronica

HAMAMATSU Fotomoltiplicatori multianodo e Flat Panel commessasviluppocampo: Rivelatori UV

commessasviluppocampo:




PAESE

in ambito:

Sviluppo nel campo

Ricaduta potenziale gia' riscontrata in ambito:

Sviluppo nel campo Ricaduta potenziale gia' riscontrata in ambito:

%


sviluppo = se l'INFN partecipa allo sviluppo dei beni acquistati

Breve descrizionedello sviluppo e

relativa ricaduta:


relativa ricaduta:


relativa ricaduta:

INFORMAZIONI GENERALI

Rivelazione onde gravitazionali

L.N.L. Legnaro

AURIGA

Onde gravitazionali

Antenna gravitazionale risonante

FE, FI, PD, LNL, TN

3 anni

Linea di ricerca



dal Laboratorio

Acceleratore usato

Fascio






Durata esperimento

Mod. EC. 1

Esperimento Gruppo




FIRENZE

043 AURIGA 2

M. CERDONIO

PADOVA

Incar. di Ric.Francesco Marin


Struttura





FIRENZE


Struttura

Codice EsperimentoAURIGA

Gruppo2043

Resp. loc.: Francesco Marin

Mat

eria

leC

onsu

mo

Tra

sp.e

fac

ch.

Spe

seC

alco

lo

Affi

tti e

man

uten

z.ap

pare

cchi

at.

Mat

eria

leIn

vent

aria

bile

Cos

truz

ione

App

arat

i

VOCIDI

SPESA


Via

ggi e

mis

sion

i

Est

ero

Inte

rno


Totale

Oscilloscopio con analisi FFT

Collegamenti Firenze-Legnaro

Presentazione risultati a congressi internazionali di

Note:

Modulatore acusto-ottico

Ottiche, montaggi per ottiche, elettronica, materiale da vuoto,

ottica/metrologia

lavorazioni meccaniche

IMPORTI

ParzialiTotale

Compet.


12,5

5,0

5,0

10,0

17,5

37,5

5,0

5,0

5,0

10,0

In kEuro

Mod. EC. 3

Note:





FIRENZE

Struttura

Miss. interno

Miss. estero

Mater. di cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo


Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

5,0 5,0 10,0 17,5 37,5

TOTALI 15,0 40,0 47,5 117,5

ANNIFINANZIARI

2002

15,0

5,0 5,0 15,0 15,0 40,020035,0 5,0 15,0 15,0 40,02004


Gruppo2043



Cognome e Nome

Qualifica



Affer. al

Gruppo



Gruppo

FIRENZE

2043


Struttura


RICERCATORI

Cognome e Nome

Qualifica



TECNOLOGI N N

3,0


Numero totale dei TecnologiTecnologi Full Time Equivalent

Cognome e Nome

Qualifica



Assoc.tecnica

TECNICI N

Numero totale dei Tecnici

Tecnici Full Time Equivalent

De Rosa Maurizio 1002AsRic1Inguscio Massimo 202P.O.2Marin Francesco 702R.U.3

Per

cent

uale

Per

cent

uale

Per

cent

uale




Gruppo

FIRENZE

2043


Struttura





Denominazione



SI

Titolo della Tesi

mesi-uomo


Tesi di: in

SI


Tesi di: in

SI


Tesi di: in

SI


Tesi di: in

SI


Tesi di: in

SI


Tesi di: in

SI


Tesi di: in

SI


Tesi di: in


SI


Tesi di: in



Gruppo

FIRENZE

2043


Struttura

Cognome e Nome



SI

Keywords Altro

Ass.INFN

in

Relatore


Titolo della tesi:


SI

Keywords Altro


SI

Keywords Altro


SI

Keywords Altro


SI

Keywords Altro


SI

Keywords Altro


SI

Keywords Altro


SI

Keywords Altro


SI

Keywords Altro


KEYWORDS Descrizione attività locale (a cura del responsabile locale)




Gruppo

FIRENZE

2043


Struttura



commessasviluppo



SVILUPPO DI STRUMENTAZIONE INNOVATIVAe ricadute su altri gruppi, sul sistema industriale e su altre disciplineSviluppo nel campo Ricaduta potenziale gia' riscontrata

campo:






PAESE

in ambito:

Sviluppo nel campo


Sviluppo nel campo Ricaduta potenziale gia' riscontrata in ambito:

%




relativa ricaduta:


relativa ricaduta:


relativa ricaduta:

INFORMAZIONI GENERALIRicerca di antimateria nella radiazione cosmica. Misure flussi particelle e antiparticelle edeterminazione abbondanze isotopiche nei raggi cosmici fino alle piu’ alte energie(anti-P/P,e+e- >100 GeV)

Satelliti in orbita e palloni stratosferici

WIZARD

CERN, GSI/Darmstadt,Dubna (RUSSIA)

Fasci di test

Studio dei processi di produzione, accelerazione e propagazione di particelle, antiparticellee isotopi nei raggi cosmici. Studio dei flares solari, della componente anomala e dellaproduzione atmosferica dei raggi cosmici.

Apparato su palloni stratosferici.Apparato NINA su satellite russo RESURS.Apparato NINA2 su satellite italiano MITAApparato Pamela su satellite russo per esperimento dedicato a ricerca di antiparticelle.

Bari, Firenze, LNF, Roma 2, Trieste, Napoli

Agenzia Spaziale Italiana, GSFC (NASA), New Mexico State University, StockholmUniversity, MEPHI Mosca, FIAN Mosca, JINP San Pietroburgo, Siegen University(Germania), TSSKB-PROGRESS SAMARA

1 anno + 3 anni (presa dati e analisi)

Linea di ricerca



dal Laboratorio

Acceleratore usato

Fascio






Durata esperimento

Mod. EC. 1

Esperimento Gruppo




FIRENZE

491 WIZARD 2

P.G. PICOZZA

ROMA 2

Incar. di Ric.Oscar Adriani


Struttura





FIRENZE


Struttura

Codice EsperimentoWIZARD

Gruppo2491

Resp. loc.: Oscar Adriani

Mat

eria

leC

onsu

mo

Tra

sp.e

fac

ch.

Spe

seC

alco

lo

Affi

tti e

man

uten

z.ap

pare

cchi

at.

Mat

eria

leIn

vent

aria

bile

Cos

truz

ione

App

arat

i

VOCIDI

SPESA


Via

ggi e

mis

sion

i

Est

ero

Inte

rno


Totale

Riunioni di collaborazione

Trasporti interni all'Italia dello Spettrometro di PAMELA

Missioni per test beam al GSI

Note:

Contatti con DitteIntegrazione Pamela a Roma

Gaussmetro portatile per monitor del campo magnetico

" " " " al CERN-SPS

Consumi di laboratorio in Italia e all'Estero

" " integrazione di Pamela su Satellite in Russia e Lancio

Sistema di monitor di parametri ambientali per il trasporto di PAMELA

IMPORTI

ParzialiTotale

Compet.


25,0

75,0

25,0

3,0

11,0

139,0

3,0

10,0

di cui 10 sj

di cui 10 sj

25,0

3,0

10,0 sj

25,0

8,0

55,0

In kEuro

Mod. EC. 3

Note:





FIRENZE

Struttura

Miss. interno

Miss. estero

Mater. di cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo


Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

25,0 75,0 25,0 3,0 11,0 139,0

TOTALI 225,0 85,0 3,0 11,0 409,0

ANNIFINANZIARI

2002

85,0

20,0 50,0 20,0 90,0200320,0 50,0 20,0 90,0200420,0 50,0 20,0 90,02005


Gruppo2491



Cognome e Nome

Qualifica



Affer. al

Gruppo



Gruppo

FIRENZE

2491


Struttura


RICERCATORI

Cognome e Nome

Qualifica



TECNOLOGI N N

8,0


Numero totale dei Tecnologi 2,0

1,4Tecnologi Full Time Equivalent

Cognome e Nome

Qualifica



Assoc.tecnica

TECNICI N



Adriani Oscar 802R.U.1Bonechi Lorenzo 1002Dott.2Castellini Guido 702CNR3D'Alessandro Raffaello 301R.U.4Papini Paolo Ric 10025Perego Andrea 202P.A.6Spillantini Piero 602P.O.7Vannuccini Elena 1002Dott.8

Celletti Franco Tecn 401Straulino Samuele 100Bors.2

Gabbanini Andrea 801Grandi Mauro Cter 802Masi Manuela Cter 403Tesi Mauro 804

Per

cent

uale

Per

cent

uale

Per

cent

uale




Gruppo

FIRENZE

2491


Struttura





Denominazione



BONGI MASSIMO SI Sviluppo degli algoritmi di allineamento e ricostruzione delle tracce nello spettrometroPAMELA

Titolo della Tesi

mesi-uomo

PAPINI PAOLORelatore/Tutore Keywords

FISICATesi di:LAUREA in

PELLEGRI LUCA SI Integrazione e completamento dello spettrometro ADAMO per la misura dello spettro deiraggi cosmici a terra.

ADRIANI OSCARRelatore/Tutore Keywords


RICCIARINI SERGIO SI Sviluppo dell'elettronica di lettura per il rivelatore tracciante dello spettrometro PAMELA.

D'ALESSANDRO R.Relatore/Tutore Keywords


BONECHI LORENZO SI Integrazione dell'esperimento PAMELA e analisi dei dati dei tests pre-lancio.

ADRIANI OSCARRelatore/Tutore Keywords

FISICATesi di:Dottorato in

VANNUCCINI ELENA SI High energy measurement of Deuterium flux in cosmic rays with CAPRICE 98 apparatus.

SPILLANTINI PIERORelatore/Tutore Keywords


SI


Tesi di: in

SI


Tesi di: in

SI


Tesi di: in


SI


Tesi di: in



Gruppo

FIRENZE

2491


Struttura

Cognome e Nome



BONECHI LORENZO SI

Sviluppo di uno spettrometro magnetico per la misura di raggi cosmici a terra e primirisultati

Keywords

dottorato

Altro

Ass.INFN

FISICAin ADRIANI O.

Relatore


Titolo della tesi:

Titolo conseguito

LAUREASbocco occupazionale (*)

BADI MASSIMILIANO SI

Algoritmi di compressione per il rivelatore tracciante dello spettrometro PAMELA

Keywords

non conosciuto

Altro

FISICAin ADRIANI O.

Titolo della tesi:

LAUREA

SI

Keywords Altro


SI

Keywords Altro


SI

Keywords Altro


SI

Keywords Altro


SI

Keywords Altro


SI

Keywords Altro


SI

Keywords Altro


KEYWORDS

spettrom.,silici, raggi c.cos.cosmici

Descrizione attività locale (a cura del responsabile locale)




Gruppo

FIRENZE

2491


Struttura

CARLO GAVAZZI SPACE IT. Meccanica generale e sistema di raffreddamento di PAMELA



commessasviluppo



SVILUPPO DI STRUMENTAZIONE INNOVATIVAe ricadute su altri gruppi, sul sistema industriale e su altre discipline

Sviluppo di sistemi meccanici leggeri, resistenti alle vibrazioni, di alta precisione

Mec. di precisione per uso spaz.Sviluppo nel campo Esperimenti spazialiRicaduta potenziale gia' riscontrata

campo: MECCANICA

CAEN ITALIA Sistemi di Alimentazione di PAMELA commessasviluppocampo: ELETTRONICA

LABEN ITALIA CPV e Memoria di massa di PAMELA commessasviluppocampo: ELETTRONICA




PAESE

in ambito:

Sviluppo di sistemi di acquisizione dati a basso consumo, alta velocità e alta efficienza

Sistemi di acquisizione datiSviluppo nel campo Esp. di Alte Energie,ind. spaz.Ricaduta potenziale gia' riscontrata in ambito:

Sviluppo di sistemi di alimentazione modulari ad alta efficienza

Sistemi di alimentazioneSviluppo nel campo Esp. di Alte energie,ind.spaz.Ricaduta potenziale gia' riscontrata in ambito:

%




relativa ricaduta:


relativa ricaduta:


relativa ricaduta:


FIRENZE


Struttura

(a cura del rappresentante nazionale)

Fisica Generale: misura di costanti fondamentali

Dipartimento di Fisica e laboratorio LENS, Università di Firenze

Misura della costante gravitazionale G mediante interferometria atomica

Sviluppo di un gravimetro basato su interferometria atomica

FIRENZE

4 anni

Linea di ricerca


Acceleratore usato

Fascio(sigla e caratteristiche)





Durata esperimento

Mod. EN. 1

P R O G R A M M A D I R I C E R C AA) I N F O R M A Z I O N I G E N E R A L I

B) S C A L A D E I T E M P I : piano di svolgimento

PERIODO ATTIVITA’ PREVISTA

2002 -2003

2004

2005

Costruzione del sistema di vuoto e dell'apparato delle sorgenti laser (v. allegato).

Realizzazione del gravimetro; acquisizione della massa sorgente (v. allegato).

Misure preliminari; realizzazione del gradiometro (v. allegato).

Ottimizzazione dell'apparato. Misura di G (v. allegato).

Nuovo Esperimento GruppoMAGIA 2

Guglielmo M. TINO

Firenze

AssociatoGuglielmo M. [email protected]:



[email protected]:


(a cura del rappresentante nazionale)Mod. EN. 1


FIRENZE


Struttura


Resp. loc.: Guglielmo M. Tino

Mat

eria

leC

onsu

mo

Tras

p.e

fac

ch.

Spe

seC

alco

lo

Affi

tti e

man

uten

z.ap

pare

cchi

at.

Mat

eria

leIn

vent

aria

bile

Cos

truzi

one

App

arat

i

VOCIDI

SPESA


Via

ggi e

mis

sion

i

Est

ero

Inte

rno


Totale

Missioni presso i laboratori di Yale (USA) e Konstanz (D).

Note:

Missioni presso altri laboratori e ditte

Sorgenti laser, sistemi da vuoto, generatore RF

Costruzioni di parti meccaniche, elettroniche, ottiche

Componenti ottici, elettronici, da vuoto

Partecipazione a conferenze.

IMPORTI

ParzialiTotale

Compet.

A cura della Comm.ne Scientifica Nazionale

4,0

6,0

20,0

30,0

10,0

70,0

4,0

30,0

10,0

6,0

20,0

(a cura del responsabile locale)Mod. EN. 2

FIRENZE


Struttura

ALLEGATO MODELLO EN 2

Vedi Allegato



In kEuro

Mod. EN. 3

Note:



Osservazioni del Direttore della Struttura in merito alladisponibilità di personale e di attrezzature:


FIRENZE

Struttura


(a cura del responsabile locale)All. Mod. EN. 2

Miss. interno

Miss. estero

Mater. di cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo


Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

4,0 6,0 20,0 30,0 10,0 70,0

TOTALI 24,0 145,0 100,0 35,0 320,0

ANNIFINANZIARI

2002

16,0

4,0 6,0 55,0 25,0 10,0 100,020034,0 6,0 55,0 25,0 10,0 100,020044,0 6,0 15,0 20,0 5,0 50,02005

Mod. EN. 3


In kEuro

Note:

PREVISIONE DI SPESA

Piano finanziario globale di spesa


FIRENZE

Struttura


Miss. interno

Miss. estero

Materialedi

cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo


Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

4,0 6,0 20,0 30,0 10,0 70,0

TOTALI 16,0 24,0 145,0 100,0 35,0 320,0

ANNIFINANZIARI

2002

4,0 6,0 55,0 25,0 10,0 100,02003

4,0 6,0 55,0 25,0 10,0 100,02004

4,0 6,0 15,0 20,0 5,0 50,02005

Mod. EN. 4



PROPOSTA DI NUOVO ESPERIMENTO

Vedi Allegato


FIRENZE

Struttura

Cognome e Nome

Qualifica



Affer. al

Gruppo


Codice EsperimentoMAGIA

Gruppo

FIRENZE

2


Struttura


RICERCATORI

Cognome e Nome

Qualifica



TECNOLOGI N N

5,0




Cognome e Nome

Qualifica



Assoc.tecnica

TECNICI N



Fattori Marco 1002Dott.1Inguscio Massimo 302P.O.2Minardi Francesco 202INFM3Stuhler Juergen 1002B.P.D.4Tino Guglielmo M. 802P.O.5

Fort Chiara 30LENS1

Ballerini Riccardo 301Giuntini Mauro 302

Per

cent

uale

Per

cent

uale

Per

cent

uale




Gruppo

FIRENZE

2


Struttura





Denominazione



FATTORI MARCO SI

Titolo della Tesi

mesi-uomo

Prof. Inguscio MassimoRelatore/Tutore Keywords


FALLANILEONARDO SI

Prof. Inguscio MassimoRelatore/Tutore Keywords


SI


Tesi di: in

SI


Tesi di: in

SI


Tesi di: in

SI


Tesi di: in

SI


Tesi di: in

SI


Tesi di: in


SI


Tesi di: in



Gruppo

FIRENZE

2


Struttura

Cognome e Nome



SI

Keywords Altro

Ass.INFN

in

Relatore


Titolo della tesi:


SI

Keywords Altro


SI

Keywords Altro


SI

Keywords Altro


SI

Keywords Altro


SI

Keywords Altro


SI

Keywords Altro


SI

Keywords Altro


SI

Keywords Altro


KEYWORDS Keywords attività locale (a cura del responsabile locale)

Keywords attività complessiva dell'esperimento (a cura del responsabile nazionale)



Gruppo

FIRENZE

2


Struttura



commessasviluppo



SVILUPPO DI STRUMENTAZIONE INNOVATIVAe ricadute su altri gruppi, sul sistema industriale e su altre disciplineSviluppo nel campo


relativa ricaduta:

Ricaduta potenziale gia' riscontrata

campo:






PAESE

in ambito:

Sviluppo nel campo


relativa ricaduta:


Sviluppo nel campo


relativa ricaduta:


%



PRESENTAZIONI A CONFERENZE, WORKSHOP E SEMINARIINTERNAZIONALI nel periodo luglio 2000 giugno 2001

(a cura del responsabile locale)Mod. EC 9



Gruppo

FIRENZE

2


Struttura

Relatore Tipo di presentazione Denominazione della Conferenza o dell'istituzione

Titolo della presentazione o del seminario LocalitàData

%Percentuale di presentazioni INFN su presentazioni complessive della collaborazione:

Resp. Naz.: Guglielmo M. TINO


Tipo di Conferenza


Gruppo

FIRENZE

2


Struttura

Data prevista peril completamento

MILESTONES 2001 (concordate con i referee)Descrizione

Commento al conseguimento delle milestones

Data completamentoMILESTONES PROPOSTE PER IL 2002

1-04-2002 Costruzione del sistema da vuoto e dell'apparato delle sorgenti laser

1-08-2002 Costruzione di un sistema di due laser agganciati in fase e amplificati

1-12-2002 Caratterizzazione preliminare dell'interferometro atomico

Descrizione

livello raggiuntoalla data previstain %

(a cura del responsabile nazionale)Mod. EC 10


%%%%%%%%

Resp. Naz.: Guglielmo M. TINO

%%


Gruppo

FIRENZE

2


Struttura

Cognome e Nome

REFEREES DEL PROGETTO

Cantatore Giovanni

Argomento

Gastaldi Ugo

Cognome e Nome

LEADERSHIPS INFN NEL PROGETTO(solo per collaborazioni internazionali o inter Enti)

Funzioni svolte

(a cura del responsabile nazionale)Mod. EC/EN 11

Percentuale posizioni di leadership INFN su numero totale posizioni

Percentuale partecipanti INFN su partecipanti totali

Struttura

Elenco delle pubblicazioni più significative nel periodo luglio 2000 giugno2001

Percentuale budget INFN su budget totale %%%

Resp.Naz.: Guglielmo M. TINO

Nome primo autore Titolo della pubblicazione

Rivista Numero Pagine Data

COMPETITIVITA’ INTERNAZIONALEEsperimenti in competizione

Comitati internaz. che vagliano l'esperimento:

MAGIA

MMMAAAGGGIIIAAA::: MMM IIISSSUUURRRAAA AAACCCCCCUUURRRAAATTTAAA DDDIII GGG MMMEEEDDDIIIAAANNNTTTEEE IIINNNTTTEEERRRFFFEEERRROOOMMMEEETTTRRRIIIAAA AAATTTOOOMMMIIICCCAAA

Research proposal submitted to INFN

COMPLETE TITLE OF PROJECTACCURATE MEASUREMENT OF THE GRAVITATIONAL CONSTANT G BY ATOM INTERFEROMETRY

SHORT TITLEMAGIA: Misura Accurata di G mediante Interferometria Atomica

PRINCIPAL INVESTIGATOR Guglielmo M. Tino

COMPLETE ADDRESSDipartimento di Fisica e Laboratorio Europeo di Spettroscopia Nonlineare (LENS)Università di FirenzeLargo E. Fermi, 2 I-50125 FIRENZE

Tel.: +39-055-2307899Fax: +39-055-224072E-mail: [email protected]

PROPOSERS’ GROUPG.M. Tino Dipartimento di Fisica and European Lab. for Non-Linear SpectroscopyM. Inguscio Università di FirenzeC. Fort Largo E. Fermi, 2 – 50125 FIRENZEF. MinardiJ. StuhlerM. Fattori

INTERNATIONAL COLLABORATIONSA. Peters Universität Konstanz, GermanyM. Kasevich Yale University, USA

MAGIA

2

MMMAAAGGGIIIAAA::: MMM IIISSSUUURRRAAA AAACCCCCCUUURRRAAATTTAAA DDDIII GGG MMMEEEDDDIIIAAANNNTTTEEE IIINNNTTTEEERRRFFFEEERRROOOMMMEEETTTRRRIIIAAA AAATTTOOOMMMIIICCCAAA

Research proposal submitted to INFN

P.I.: Guglielmo M. Tino,Dipartimento di Fisica e Laboratorio Europeo di Spettroscopia Nonlineare (LENS), Università di Firenze

• PROPOSAL SUMMARY (ABSTRACT)

This proposal is for an experiment to measure the Newtonian gravitational constant G by a newmethod based on atom interferometry with ultracold atoms. Amongst the fundamental quantities, Gis presently the one measured with the largest uncertainty and the different existing values disagreesignificantly.

We propose to measure G by measuring the perturbation to the acceleration of free-fallingatoms due to a well-known source mass. Recently developed methods of atom interferometry withcold atoms should allow to increase the sensitivity by orders of magnitude with respect to standardgravimeters. The use of atoms as simple test masses allows a better control over systematic effects.The method could be extended in the future to the measurement of other elusive physical quantities.

• PROJECT DESCRIPTION

The Newtonian gravitational constant G is, with the Planck’s constant h and the speed of lightc, one of the most fundamental constants. While h is known with a relative uncertainty of about 80ppb and the value of c was measured to 9 decimal digits before being defined as exact, in the lastadjustment of the fundamental quantities of physics the recommended value for the gravitationalconstant is G = (6.673 ± 0.010) x 10-11 m3kg-1s-2 [1], corresponding to a relative uncertainty of±1500 ppm. This is due to the weakness of gravity, to the impossibility to shield it and to thedifficulty of eliminating spurious forces.

Starting with the famous experiment performed by Cavendish in 1798, most measurements ofG were performed using apparatus based on a torsion balance or pendulum. In spite of the largeimprovement in the experimental techniques, the reduction in the uncertainty in G has only been ofabout two orders of magnitude in about 200 years and, still worse, measurements are indisagreement with each other in a significative way suggesting the presence of uncontrolledsystematic errors. For example, an anharmonicity was recently found in the suspension of torsionbalances.

We propose a new method to measure G by measuring the perturbation to the acceleration offree-falling atoms due to a well-known source mass. Recently developed methods of atominterferometry with cold atoms should allow to increase the sensitivity in the measurement of theacceleration by orders of magnitude with respect to standard gravimeters. The use of atoms assimple test masses allows a better control over systematic effects.

MAGIA

3

Matter-wave interference with neutral atoms was first demonstrated in 1991. In analogy tooptical interferometers, atomic wavepackets are split and recombined giving rise to an interferencesignal. Different schemes can be used for splitting, reflecting and recombining the atoms and theatom optics components can be either material structures or light fields. In a particular class ofinterferometers, which is the one relevant for the present project, the separation of the atoms isachieved by inducing a transition between internal states of the atoms by an electromagnetic field.The spatial separation in this case is induced by the momentum recoil and the internal and externalstates of the atoms become entangled. The field is now mature both from the point of view of theunderstanding of the basic physics underlying laser cooling and laser manipulation of atoms and forthe development of a solid technology for the experimental implementation of sensors. Atominterferometers are already competing with state-of-the-art optical interferometers in terms ofsensitivity in the measurement, for example, of gravity acceleration and rotations [2,3].

Already in 1975, a neutron interferometer was used to detect the phase shift caused by theEarth’s gravitational field. The inertial sensitivity of an atom interferometer can be much larger thanthe one of neutron interferometers because of the larger mass and the availability of sources of slowatoms. Indeed, the sensitivity of atom interferometers as detectors of rotations and accelerationsincreases with the observation time so that it can be extremely high if slow laser-cooled atoms areused. Laser cooling of atoms has been one of the most active fields of research in physics in the lastdecade. Atoms from a room-temperature vapour can be cooled to temperatures as low as a fewmicrokelvin by interacting with laser light. At such low temperatures, the wave properties of theatoms become relevant and the corresponding de Broglie wavelength can be comparable to thedistance between the atoms. This gives rise to completely new phenomena such as Bose-Einsteincondensation and allows to perform experiment where the matter waves interfere just as usualwaves do. In 1997, the Nobel prize in Physics was awarded to C. Cohen-Tannoudji, S. Chu andW.D. Phillips for their contribution in this field. Proposing groups of this project have been activein this field for about ten years. At LENS and Department of Physics in Florence there are atpresent 3 different cold atoms apparatus running.

An experiment conceptually similar to the one we propose was reported in [4]. The position ofa macroscopic free-falling body was tracked by a laser interferometer and the perturbation to itsacceleration induced by a source mass was measured. We believe that our idea of using atomsinstead of macroscopic bodies as proof masses will provide important advantages in terms ofachievable sensitivity and final accuracy. The use of atomic proof masses insures reproducibility indifferent experiments and allows for accurate characterization of environmental perturbations. Forexample, the effect of magnetic and electric fields can be directly measured from atomic properties.In addition, the acceleration of the atoms can be measured with an extremely high accuracy by atominterferometry using methods that are basically related to atomic clocks. Other more specific andtechnical aspects that will lead to significative improvements with respect to previous experimentswill be discussed in the technical section of this proposal.

MAGIA will allow the proposing group to develop an apparatus with an extremely highsensitivity for the measurement of gravity acceleration and to perform an accurate measurement ofthe Newtonian constant G. We will evaluate different experimental strategies before choosing theactual scheme including the use of a Bose-Einstein condensate and the combination of twogravimeters to form a gradiometer. From the experimental point of view, all these methods,although rather sophisticated, are well within the possibilities of the proposing group.

The apparatus we will develop could be extended in the future to the measurement of otherelusive physical quantities. Examples of such future experiments to be considered are

MAGIA

4

measurements of the field curvature, search for a deviation from the 1/r2 law, tests of the weakequivalence principle (with the possibility of comparing bosonic with fermionic atoms) and, ingeneral, the detection of effects where high sensitivity interferometric detection is required. Ifgravity is measured independently, such an apparatus can provide an accurate measurement of theratio h/m of Planck’s constant to the atomic mass which appears in the expression of the finestructure constant.

It is worth mentioning here that accurate inertial sensors have also important applicationsincluding navigation, location of natural resources, prediction of earthquakes and volcaniceruptions.

In conclusion, the main objectives and outcomes of the MAGIA project are the following:

1) Development of an accurate gravimeter based on interferometry with ultracold Rb atoms.

2) Investigation of the possibility of using Bose-Einstein condensed atoms and two gravimeters toincrease sensitivity and accuracy.

3) Determination of the Newtonian gravitational constant G.

• TECHNICAL APPROACH

- Atom interferometer

In an atom interferometer, atomic wavepackets are split andthen recombined giving rise to an interference signal whenatoms are detected. Different schemes can be used for splitting,reflecting and recombining the atoms and the atom opticscomponents can be either material structures or light fields. In aparticular class of interferometers, which is the one relevant forthe present project, the separation of the atoms is achieved byinducing a Raman transition between internal states of the atomsby an electromagnetic field. The spatial separation in this case isinduced by the momentum recoil and the internal and externalstates of the atoms become entangled.

We plan to develop an atom interferometer based on afountain of laser-cooled rubidium atoms. The basic scheme ofthe apparatus is similar to the gravimeter (shown in the figure)recently demonstrated by the group of S. Chu at Stanford withCs atoms [2]. In our experiment, however, we plan to use Rbatoms and to improve the gravimeter performance in severalpoints in view of an accurate determination of G.

Atoms collected from the background vapor using laser cooling and trapping methods arelaunched upward with a well controlled velocity. Initially the atoms are pumped in one of thehyperfine states of the atom ground state. During the flight, optical pulses are used to stimulate

MAGIA

5

Raman transitions between two different hyperfine states. In the transition, a momentum hk istransferred to the atom. Assuming that the atoms is initially in the internal state |1> with amomentum p, the sequence is schematically the following:1) a first pulse (π/2 pulse) puts an atom into a superposition of the initial state |1,p> and the secondstate |2,p+hk> which separate spatially. As an atom optics component, this corresponds to a beamsplitter.2) After a time T, a second pulse (π pulse) induces the transitions |1,p> → |2,p+hk> and |2,p+hk>→ |1,p> for the two parts of the atoms. This corresponds to the mirrors in an optical interferometer.3) After another time T, the two parts of the atoms overlap again and a third pulse (π/2 pulse) actsas a recombining beam splitter.

At the end of the pulse sequence the number of atoms in either of the states is detected. For aproper arrangement of experimental parameters, it can be shown that the phase difference betweenthe two arms of the interferometer is ∆Φ = kgT2. The sensitivity of the method therefore increaseswith the interrogation time and this is the reason to use an atomic fountain scheme. The expressionalso shows that an increase in sensitivity can be obtained if a shorter wavelength is used to inducethe Raman transition. In the same way, a significative increase of the sensitivity can be achieved ifeach pulse of the sequence is replaced by a sequence of pulses, thus increasing the spatial separationbetween the two parts of the atomic wavepacket.

The Raman transition between two internal states can be induced using two laser beams whosefrequency difference is phase-locked to a stable microwave source. This insures a precise control ofthe relative phase. Frequency stability can be obtained using lasers locked to atomic resonances.

A crucial element of the interferometer is the mirror used to retroreflect the Raman laser beams.This mirror plays the role of an inertial reference during the measurement. Indeed the two laserbeams can be arranged to travel along the same path and only vibrations of this mirror can affect therelative phase. Therefore this mirror will be stabilized using active low-frequency vibrationisolation systems to reduce vibrations in the 0.1-10 Hz range. The better the mirror vibrationisolation, the larger can be the time T between pulses and the resulting sensitivity.

An important advantage of the proposed experimental scheme is that it is free of instrumentaldrifts thus allowing integration over very long time intervals to increase sensitivity. In order tocompensate for environmental changes during the experiment, we plan to use a high sensitivitygravimeter as a reference.

- Source mass

As discussed above, the basic idea of the experiment we propose is to measure the perturbationto the acceleration of free-falling atoms due to a well-known source mass. From the knowledge ofthe mass and shape of the body used as source mass, the gravitational constant can be extracted.

The choice of the shape, size and the material to be used will be the subject of the initial studyphase of the experiment. A high density material must be used; it is also important, however, tochoose a material that can be easily machined and can guarantee a good uniformity. Based on apreliminary estimate, we plan to use a tungsten torus with a mass of 500-1000 kg. The choice willalso depend on the project budget.

As in most previous experiments to determine G, we will perform a differential measurement:The source mass will be placed alternatively above and below the measurement region producing adecrease or an increase of the atoms acceleration. The differential measurement will allow us todrastically reduce common mode errors.

MAGIA

6

- Gradiometer

We will study the possibility of combining two similar gravimeters to form a gradiometer. Anatom interferometer-based gravity gradiometer was already demonstrated in [5]. Such aconfiguration would certainly increase the complexity of the setup but not as much as doubling theapparatus. Much of the setup would be common to the two gravimeters, namely, the laser sourcesand most of the optical setup. The gradiometer would likely lead to a significant increase insensitivity. The expected advantages of this scheme in the measurement of G would be a reductionof the sensitivity to vibrations and to other sources of noise, that would cancel in the difference, andan increase of the signal. In this case, indeed, we would measure the variation in the difference ofthe accelerations of the two samples of atoms as a function of the source mass position, that woulddouble the signal and reduce the effect of common mode noise.

- BEC

This project is based on the experimental scheme described above. During the development ofthe project, however, we will investigate possible alternative schemes. This study will likely lead toimprovements of the apparatus in the course of this project or will allow to plan for futureexperiments with improved apparatus.

An important possibility we will investigate is to use atoms from a Bose-Einstein condensateinstead of the “thermal” atoms produced by laser cooling. This possibility has not been deeplyinvestigated yet since Bose-Einstein condensation has only been observed in 1995 for the first time.At LENS and Department of Physics in Firenze, a BEC apparatus is operating since 1999 [6] andtwo more are being completed. Similar to the light emitted by a laser, atoms extracted from a Bose-Einstein condensate show a high degree of coherence that can in principle improve theinterferometer performance. The improvement could be not only a simple increase in sensitivity butcompletely different schemes could be devised based on the specific properties of this atom source.We will investigate in particular possible schemes for “local” measurements of gravity that wouldnot require the correction for the Earth’s field gradient which is necessary in the apparatus based onfree-falling atoms.

The advantages which can be expected from the use of a Bose-Einstein condensate will have tobe compared with limitations due to a smaller number of atoms, a higher complexity of theapparatus and possible spurious effects due, for example, to the presence of the magnetic trap.

- Existing apparatus

As already mentioned, at LENS and Department of Physics in Florence there are at present 3different cold atoms apparatus running. One of these has been designed with a vertical structure inorder to produce a “fountain” of ultracold Rb atoms. It will form the basis of the apparatus to bedeveloped in the frame of this project. The present apparatus is based on a double-magneto-opticalscheme that allows a fast collection of the Rb atoms from the vapour in a first cell while keeping avery low background pressure in the cell where experiments are performed [7]. More than 109

atoms can be trapped in less than one second and the trap lifetime is several tens of seconds. Amagnetic trap has been mounted in the apparatus that would allow efficient magnetic trapping andevaporative cooling of the atoms down to Bose-Einstein condensation.

For the experiment proposed in this project, the existing apparatus will need significativechanges due to the stringent requirements to achieve the planned levels of sensitivity and accuracy.

MAGIA

7

Main changes concern accurate magnetic shielding of the interaction region, development of anactive vibration isolation system for critical optics in the interferometer, phase-locking of diodelasers, light amplification using tapered amplifiers, and development of optics and electronicsneeded to induce Raman transitions with the required spatial uniformity and phase stability of thelaser light. As discussed above, parts of the apparatus, including vacuum, optics and electronicsparts, will have to be doubled to realize an atomic gradiometer.

- Expected accuracy

The sensitivity of the apparatus can be estimated using the expression for the phase changegiven above: ∆Φ = kgT2. If we consider Rb atoms excited by Raman transition using light with awavelength corresponding to the D2 line (λ = 780 nm) and T = 200 ms, a change of 2π in the phasebetween the two arms of the interferometer corresponds to 10-6 g. A sensitivity ∆g/g ≈10-10-10-11

range can then be achieved because of the intrinsic stability of the apparatus that allows longintegration time. In fact, the accuracy of the apparatus is generally not as high as its sensitivity.However, because we plan to perform a differential measurement, or a double differentialmeasurement if a gradiometer is used, possible systematic errors will not affect the measurement ofG. The maximum sensitivity can then be assumed as the relevant figure for this experiment.

The accuracy in the determination of G obviously depends on the size of the accelerationchange induced by the source mass. If we assume to use a tungsten mass with the shape of a torussimilar to the one used in [4], the resulting variation in the acceleration is of the order of 10-7 g.From the estimated sensitivity of the apparatus, a relative uncertainty of 10-3-10-4 in thedetermination of G results. In fact, we believe that the small size of the apparatus will allow us tooptimize the shape and the resulting effect of the source mass. In addition, several aspects of theapparatus can be optimized to increase the sensitivity significantly. Therefore we expect to achievean accuracy in the determination of G better than 100 ppm. It is worth emphasizing that this wouldrepresent not only an improvement by more than one order of magnitude with respect to thepresently accepted value but it would be obtained with a method completely different from previousexperiments. Considering the large discrepancy between the values obtained so far, this resultwould be important to discriminate amongst them.

• REFERENCES 1. P.J. Mohr, B.N. Taylor, Rev. Mod. Phys. 72, 351 (2000) and references therein.2. A. Peters, K.Y.Chung, S.Chu, Nature 400, 849 (1999).3. T.L. Gustavson, A. Landragin, M. Kasevich, Class. Quantum Grav. 17, 2385 (2000).4. J.P. Schwarz, D.S. Robertson, T.M. Niebauer, J.E. Faller, Science 282, 2230 (1998).5. M.J. Snadden, J.M. McGuirk, P. Bouyer, K.G. Haritos, M.A. Kasevich, Phys. Rev. Lett. 81, 971(1998).6. C. Fort, M. Prevedelli, F. Minardi, F.S. Cataliotti, L. Ricci, G.M. Tino, M. Inguscio, Europhys.Lett. 49, 8 (2000).7. L. Cacciapuoti, A. Castrillo, M. de Angelis, G.M. Tino, Eur. Phys. J. D, in press.

MAGIA

8

• WORK PLAN

We propose a 4 years development program involving LENS and in collaboration with thegroup of M. Kasevich at Yale.

At the end of the program, the expected results is an accurate determination of the value of Gwith a method which is qualitatively different from the ones used so far.

The main tasks of the MAGIA project are listed in Table 1. The planned performance periodsare indicated in Table 2. Dates for the achievement of listed tasks are based on January 2002effective start date.

MAGIA

9

Table 1. MAGIA project main tasks

Main Tasks Description Date ofachievement

T.1 Construction of vacuum and laser system for the cold-atoms interferometer 12/2002

T.2 Construction of phase-locked, amplified laser system 12/2002

T.3 Preliminary gravimeter characterization 12/2002

T.4 Evaluation of gravimeter performance 12/2003

T.5 Design, acquisition, characterization, mounting of the source mass 12/2003

T.6 Experiment with Rb BEC: feasibility study 12/2003

T.7 Design of the gradiometer 12/2003

T.8 Preliminary experiment to determine G 12/2004

T.9 Construction of vacuum and laser system for the gradiometer 12/2004

T.10 Evaluation of gradiometer performance 12/2004

T.11 Optimization of the apparatus 6/2005

T.12 Experiment 12/2005

T.13 Data analysis and determination of G 12/2005

MAGIA

10

Table 2. MAGIA project performance periods

2002 2003 2004 20051stsemester 2ndsemester 1stsemester 2ndsemester 1stsemester 2ndsemester 1stsemester 2ndsemester

T1

T2

T3

T4

T5

T6

T7

T8

T9

T10

T11

T12

T13

MAGIA

11

• PERSONNEL

Guglielmo M. Tino (Project PI)Guglielmo M. Tino got his PhD in Physics from the Scuola Normale Superiore di Pisa in 1992. He has been Professorof Physics of Matter at the University of Napoli since 1998. Starting November 2001 he will be at the University ofFirenze. Tino is associated to LENS. He published about 70 scientific papers. His main research interests are highprecision spectroscopy, experimental tests of fundamental laws, laser cooling and trapping of atoms, and atominterferometry. He organized, with Prof. R.C. Hilborn from Amherst College, the international conference on "Spin-statistics connection and commutation relations: Experimental tests and theoretical implications", Anacapri, 31/5-3/6,2000 and was the co-editor of the proceedings volume published by American Institute of Physics. Tino was the scientific manager of different projects:- Progetto nazionale dell'Agenzia Spaziale Italiana (ASI '91-'95) su "Intrappolamento di atomi con radiazione laser incondizioni di microgravità" (Responsabile Nazionale).- Progetto di ricerca scientifica e tecnologica del MURST (40%-1996) su "Fisica atomica per la metrologia"(Responsabile Unità Operativa).- Programma di ricerca scientifica di rilevante interesse nazionale (PRIN-1998) su "Interazioni non lineari tra impulsilaser ultracorti ed atomi", (Responsabile scientifico dell'Unità di Ricerca).- Progetto avanzato di Sezione dell'INFM (PAIS99) su "Optical manipulation of ultracold atoms" (ResponsabileNazionale).- Intervento speciale di Sezione dell'INFM (PAIS2000) su "Optical confinement of Bose-Einstein condensates" (Projectmanager).

Selected publications of G.M. Tino:

- G.M. Tino, L. Hollberg, A. Sasso, M. Barsanti, M. Inguscio:"Hyperfine structure of the metastable 5S2 state of 17Ousing an AlGaAs diode laser at 777 nm", Phys. Rev. Lett. 64 , 2999 (1990). - G.M.Tino, M.Barsanti, M.de Angelis, L.Gianfrani, M.Inguscio: "Spectroscopy of the 689 nm intercombination lineof strontium using an extended-cavity InGaP/InGaAlP diode laser", Appl. Phys. B 55, 397 (1992).- F.S. Pavone, G. Giusfredi, A. Capanni, M. Inguscio, M. de Angelis, G.M.Tino: "Narrow-linewidth visible diodelaser at 690 nm. Spectroscopy of the SrI inter-combination line", in Frequency Stabilized Lasers and TheirApplications, Y.C. Chung ed., SPIE vol.1837, pag. 366 (1992).- C. Albanese, R. Fortezza, M. Inguscio, G.M. Tino: "Laser cooling and trapping of atoms in microgravity: ultracoldatoms collisions", in Materials and Fluid Sciences in Microgravity, ESA SP-333, pag. 869 (1992).- G. Santarelli, A. Clairon, S.N. Lea, G.M. Tino: "Heterodyne optical phase-locking of extended-cavity diode lasers at9 GHz", Opt. Commun. 104, 339 (1994).- A.S. Zibrov, R.W. Fox, R. Ellingsen, C.S. Weimer, V.L. Velichansky, G.M. Tino, L.Hollberg: "High-resolutiondiode laser spectroscopy of calcium", Appl. Phys. B 59, 327 (1994).- J. Reichel, O. Morice, G.M. Tino, C. Salomon: "Subrecoil Raman cooling of cesium atoms", Europhys. Lett. 28, 477(1994).- C. Fort, F. Cataliotti, P. Raspollini, G.M. Tino, M. Inguscio: "Optical double-resonance spectroscopy of trapped Csatoms: hyperfine structure of the 8s and 6d excited states", Z. Phys. D 34, 91 (1995).- M. de Angelis, G. Gagliardi, L. Gianfrani, G.M. Tino: "Test of the symmetrization postulate for spin-0 particles",Phys. Rev. Lett. 76, 2840 (1996).- B. Preziosi, G.M. Tino: "Possible tests of curvature effects in weak gravitational fields", Gen. Relat. Gravit. 30, 173(1998).- F.S. Cataliotti, E.A. Cornell, C. Fort, M. Inguscio, F. Marin, M. Prevedelli, L. Ricci, G.M. Tino:"Magneto-opticaltrapping of Fermionic potassium atoms",Phys. Rev. A 57, 1136 (1998).- G. Modugno, M. Inguscio, G.M. Tino:"Search for small violations of the symmetrization postulate for spin-0particles", Phys. Rev. Lett. 81, 4790 (1998).- M. Prevedelli, F.S. Cataliotti, E.A. Cornell, J.R. Ensher, C. Fort, L. Ricci, G.M. Tino, M. Inguscio:"Trapping andcooling of potassium isotopes in a double-magneto-optical-trap apparatus", Phys. Rev. A 59, 886 (1999).- G.M. Tino, F.S. Cataliotti, E.A. Cornell, C. Fort, M. Inguscio, M. Prevedelli:"Towards quantum degeneracy ofbosonic and fermionic potassium atoms", in Bose-Einstein condensation in atomic gases, Proceedings of theInternational School of Physics "E. Fermi", Course CXL, M. Inguscio, S. Stringari and C. Wieman (Eds.), p. 521, IOSPress, Amsterdam (1999).- C. Fort, M. Prevedelli, F. Minardi, F.S. Cataliotti, L. Ricci, G.M. Tino, M. Inguscio:"Collective excitations of a 87RbBose condensate in the Thomas-Fermi regime", Europhys. Lett. 49, 8 (2000).

MAGIA

12

Massimo InguscioMassimo Inguscio got his PhD in Physics from the Scuola Normale Superiore di Pisa in 1978. He is presently Professorof Physics of Matter at the University of Firenze. He published about 150 scientific papers and has been the editor ofabout 10 books including proceedings of international physics conferences and schools as, for example, theInternational Conference of Laser Spectroscopy (World Scientific,1996) and International Conference of AtomicPhysics (AIP,2000). Since 1998, Inguscio is the Director of the European Laboratory for Nonlinear Spectroscopy-LENS in Firenze.His research activity focused on the interaction of laser light with atoms and molecules with new laser sources andmethods for high precision spectroscopy. In the last years, his main research interests have concerned the accuratemeasurement of fundamental constants, the investigation of phenomena involving the interaction of cold atoms withcoherent light and the physics of Bose-Einstein condensation in atomic vapors.

Marco Fattori2000: Laurea degree cum laude from University of Firenze;2001- : PhD student in Physics, University of Firenze.

Chiara Fort1992: Laurea degree cum laude from University of Firenze;1996: PhD degree in Physics, University of Firenze;1997- : Research position, permanent, LENS

Francesco Minardi1988-1992: Scuola Normale Superiore, Pisa;17 July 1993: Laurea degree cum laude from University of Pisa;24 April 1998: PhD degree in Physics, University of Pisa1998-1999: Post-doc appointments at LENS and University of Florence1999- : Research fellow, permanent, INFM

11 publications in international journals, 7 publications in books and proceedings, 12 comunications to conferences.Main research interests: Precision spectroscopy, Ultracold atoms and degenerate matter, Matter wave interferometry,Measurement of fundamental constants.

Juergen Stuhler1998-2001: PhD student, University of Konstanz2001- : Post-doc position at LENS and University of Florence

MAGIA

13

• COSTS DESCRIPTION

à Total INFN Funding Requested: 320 kEuro

This project includes different parts following different time plans. The requested fundingincludes an initial phase of two years during which most of the expected costs are mainly justifiedby the acquisition of equipment and components and the construction of the gravimeter setup. In thelast period, instead, a large part of the costs are directly related to the optimization of the setup andto the acquisition of the tungsten mass, its characterization, and to the mechanics to hold andprecisely moving it. The last year is essentially dedicated to the actual experiment and to dataanalysis.

In order to achieve the tasks indicated in the project, it is necessary to provide grants andcontracts to scientists willing to participate to the project for an extended time. Finally, travelexpenses have been considered to allow the scientists of the proposing group to visit otherlaboratories, in particular at Yale and Konstanz University, and to participate to conferences andmeetings to present the results.

• OTHER SOURCES OF FUNDING

This research is a new one and no other specific source of funding is available at present. Theresearch groups involved in this project receive funding from their institutions and from INFM,ASI, CNR, European Union.


FIRENZE


Struttura


Onde gravitazionali

CASCINA

Onde gravitazionali da sorgenti astrofisiche

Antenna VIRGO

FIRENZE, FRASCATI, NAPOLI, PERUGIA, PISA, ROMA 1

CNRS (FRANCIA): ESPCI-ParisINP-Lyon, LAL-Orsay; LAPP-Annecy, OCA-Nice

3 anni

Linea di ricerca


Acceleratore usato

Fascio(sigla e caratteristiche)





Durata esperimento

Mod. EN. 1

P R O G R A M M A D I R I C E R C AA) I N F O R M A Z I O N I G E N E R A L I

B) S C A L A D E I T E M P I : piano di svolgimento

PERIODO ATTIVITA’ PREVISTA

2002

2003

2003-2004

Commissioning dell'interferometro completo, test su algoritmi di D.A., presa dati LFF in S.Piero a Grado

Realizzazione facility per sospensioni monocristalline, sviluppo del middleware (calcolodistribuito), presa dati LFF

Realizzazione e test sospensioni monocristalline, completamento centri di calcolo, analisioff-line

Nuovo Esperimento GruppoVIRGO 2

FLAVIO VETRANO

Sez. di Firenze(Urbino)

INC. RIC.Flavio [email protected]:



[email protected]:


(a cura del rappresentante nazionale)Mod. EN. 1


FIRENZE


Struttura


Resp. loc.: Flavio Vetrano

Mat

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Totale

Banco di isolamento

Calcoli strutturali e disegni tecnici

Commissioning e shift in Cascina (18m/u)

caveria e connettori

Note:

Contatti con ROG (ROMA II)Coordinamento nazionale

Camera a vuoto (0.2mc)

5 prototipi + 1 serie completa di 4 sensori accelerometrici

materiali (acciai speciali)

Contatti con i Laboratori francesi

Pompa a vuoto

componenti elettronici

6 Driver per LFF3 bi-processori Pentium III con rack

IMPORTI

ParzialiTotale

Compet.

A cura della Comm.ne Scientifica Nazionale

6,0

7,5

20,0

67,0

6,0

26,0

40,0

56,0

195,0

60,52,04,5

15,0

36,0

6,0

6,5

3,53,0

11,0

13,5

(a cura del responsabile locale)Mod. EN. 2

FIRENZE


Struttura

ALLEGATO MODELLO EN 2Il gruppo di Firenze/Urbino parteciperà al Commissioning dell'ITF ed alla presa dati dal CITF.Per quanto riguarda il D.A., è impegnato nell'uso di calcolo distribuito (mini-cluster) peralgoritmi su ricerca di segnali da binarie coalescenti.Per l'attività di R&D, per la quale è prevista una collaborazione con il gruppo ROG (Roma), siintende perfezionare sensori di seconda generazione.Il controllo inerziale dello spostamento del punto di sospensione della catena del Superattenuatore(damping inerziale) comprende accelerometri e sensori di posizione sia orizzontali sia verticali,ed attuatori elettromagnetici. Mancano sensori inerziali d'angolo, che pure sono di grandeimportanza per un raffinamento del damping inerziale, che consenta un controllo più preciso ed unastabilità ancora migliore del punto di sospensione.Microgradienti di pressione atmosferica (Beauduin et al, BSSA, 1996) e microsismicità locale dannoorigine ad inclinazioni del suolo, e di conseguenza, della struttura: il punto di sospensione dellacatena segue l'inclinazione, e si sposta dalla posizione ottimale. Gli accelerometri orizzontali"cadono" con il punto di sospensione, e perciò non danno alcun segnale di correzione. Questofenomeno, inportante a frequenze minori della frequenza di risonanza del Superattenuatore (cheattualmente è di 40 mHz), può essere compensato solo con una misura dell' angolo di cui si inclinala base della struttura con sensori posti sulla base stessa. La sensibilità richiesta in angolo pertenere lo spostamento del punto di sospensione entro 1 µm dalla posizione nominale è di 10-9

radianti, che si traduce in una sensibilità di circa 2.10-10 rad.s--2/sqrt(Hz) a frequenze minori di40 mHz.

A frequenze maggiori di quella di risonanza del Superattenuatore diventa invece importante l'"effetto culla": a causa della imprecisione del parallelismo delle gambe del Superattenuatore, ilpunto di sospensione si muove non su un piano, ma lungo una sella. Gli accelerometri orizzontaliseguono il punto di sospensione, subiscono l' inclinazione di un angolo α, e misurano unaaccelerazione fittizia gα. Anche in questo caso la correzione richiede l'uso di accelerometriangolari, solidali, però, con il punto di sospensione. La sensibilità angolare richiesta è di circa10-10 radianti, che si traduce in una sensibilità in accelerazione angolare di circa 10-9

rad.s--2/sqrt(Hz) a frequenze minori di 1 Hz.Date le basse frequenze in gioco, va sottolineata la richiesta di stabilità imposta ai sensori.

Il gruppo di Firenze-Urbino ha accumulato una notevole esperienza nel campo, progettando ecostruendo gli accelerometri orizzontali e verticali da alto vuoto attualmente usati dal dampinginerziale di VIRGO. In virtù di tale esperienza, il gruppo propone la costruzione di prototipi, edi una serie finale completa di 4 accelerometri angolari per equipaggiare un Superattenuatore (dueper la base, e due per la piattaforma superiore), e verificare la funzionalità dei sensori.



In kEuro

Mod. EN. 3

Note:



Osservazioni del Direttore della Struttura in merito alladisponibilità di personale e di attrezzature:L'Esperimento VIRGO riassorbe l'Esperimento

VIRGO R&D che scompare.


FIRENZE

Struttura


(a cura del responsabile locale)All. Mod. EN. 2

Miss. interno

Miss. estero

Mater. di cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo


Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

67,0 6,0 26,0 40,0 56,0 195,0

TOTALI 18,0 72,0 100,0 96,0 496,0

ANNIFINANZIARI

2002

210,0

70,0 6,0 26,0 30,0 30,0 162,0200373,0 6,0 20,0 30,0 10,0 139,02004

Mod. EN. 3


In kEuro

L'ESPERIMENTO VIRGO SUBENTRA SCIENTIFICAMENTE AL PROGETTO SPECIALE VIRGO,CONCLUSO CON IL 2001. ESSO INGLOBA ANCHE L'ESPERIMENTO VIRGO R&D LA CUISIGLA SCOMPARE DAL 2002.

Note:

PREVISIONE DI SPESA

Piano finanziario globale di spesa


FIRENZE

Struttura


Miss. interno

Miss. estero

Materialedi

cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo


Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

495,0 194,0 896,5 5,0 5,0 1'161,5 253,5 3'010,5

TOTALI 1'249,0 525,0 2'388,0 36,0 15,0 4'389,5 633,5 9'236,0

ANNIFINANZIARI

2002

378,0 165,5 822,0 15,5 5,0 1'606,0 210,0 3'202,02003

376,0 165,5 669,5 15,5 5,0 1'622,0 170,0 3'023,52004

Mod. EN. 4



PROPOSTA DI NUOVO ESPERIMENTOVEDI ALLEGATO


FIRENZE

Struttura

Cognome e Nome

Qualifica



Affer. al

Gruppo


Codice EsperimentoVIRGO

Gruppo

FIRENZE

2


Struttura


RICERCATORI

Cognome e Nome

Qualifica



TECNOLOGI N N

10,0




Cognome e Nome

Qualifica



Assoc.tecnica

TECNICI N



Bracci Luca 1002Dott.1Calamai Giovanni 602OSS.2Conforto Giovanni 902P.O.3Cuoco Elena 1002Ric4Guidi Gianluca 902R.U.5Losurdo Giovanni 1002AsRic6Martelli Filippo 402R.U.7Mazzoni Massimo 501R.U.8Stanga Ruggero 802R.U.9Vetrano Flavio 902P.O.10

Cecchini Roberto I Tecn 201Fabbroni Leonardo 50Oss2

Di Franco Salvatore 501Dominici Pietro 50U.Urb

.2

Martellini Aldemiro 30U.Urb.

3Masi Manuela Cter 304

Per

cent

uale

Per

cent

uale

Per

cent

uale




Gruppo

FIRENZE

2


Struttura





Denominazione



SI

Titolo della Tesi

mesi-uomo


Tesi di: in

SI


Tesi di: in

SI


Tesi di: in

SI


Tesi di: in

SI


Tesi di: in

SI


Tesi di: in

SI


Tesi di: in

SI


Tesi di: in


SI


Tesi di: in



Gruppo

FIRENZE

2


Struttura

Cognome e Nome



SI

Keywords Altro

Ass.INFN

in

Relatore


Titolo della tesi:


SI

Keywords Altro


SI

Keywords Altro


SI

Keywords Altro


SI

Keywords Altro


SI

Keywords Altro


SI

Keywords Altro


SI

Keywords Altro


SI

Keywords Altro


KEYWORDS Keywords attività locale (a cura del responsabile locale)

Keywords attività complessiva dell'esperimento (a cura del responsabile nazionale)



Gruppo

FIRENZE

2


Struttura



commessasviluppo



SVILUPPO DI STRUMENTAZIONE INNOVATIVAe ricadute su altri gruppi, sul sistema industriale e su altre disciplineSviluppo nel campo


relativa ricaduta:

Ricaduta potenziale gia' riscontrata

campo:






PAESE

in ambito:

Sviluppo nel campo


relativa ricaduta:


Sviluppo nel campo


relativa ricaduta:


%



PRESENTAZIONI A CONFERENZE, WORKSHOP E SEMINARIINTERNAZIONALI nel periodo luglio 2000 giugno 2001

(a cura del responsabile locale)Mod. EC 9



Gruppo

FIRENZE

2


Struttura

Relatore Tipo di presentazione Denominazione della Conferenza o dell'istituzione

Titolo della presentazione o del seminario LocalitàData


Resp. Naz.: FLAVIO VETRANO


Tipo di Conferenza


Gruppo

FIRENZE

2


Struttura

Data prevista peril completamento

MILESTONES 2001 (concordate con i referee)Descrizione

Commento al conseguimento delle milestones

Data completamentoMILESTONES PROPOSTE PER IL 2002

31-05-2002 Completamento A&I torri lontane

30-06-2002 Presa dati e PSD per Thermal noise da torre LFF

31-07-2002 Completamento struttura hardware per sospensioni monocristalline

31-07-2002 Funzionalità in Cascina della tecnica UVVV

Descrizione

30-09-2002 Presa dati dell'Interferometro (DEBUGGING)

31-12-2002 Conclusione del commissioning

livello raggiuntoalla data previstain %

(a cura del responsabile nazionale)Mod. EC 10


%%%%%%

31-12-2002 Conclusione test su Cluster per D.A. per calcolo distribuito (FI-PG-NA-ROMA1)

%%

Resp. Naz.: FLAVIO VETRANO

%%


Gruppo

FIRENZE

2


Struttura

Cognome e Nome

REFEREES DEL PROGETTO

BENVENUTI C. Vuoto e R&D

Argomento

COCCIA E. Meccanica e R&D

CANTATORE G. Interferometria

MARINI A. Computing

MEZZETTO M. Computing

ZAVATTINI E. Ottica

Cognome e Nome

LEADERSHIPS INFN NEL PROGETTO(solo per collaborazioni internazionali o inter Enti)

GIAZOTTO A. Spokesman Internazionale

Funzioni svolte

(a cura del responsabile nazionale)Mod. EC/EN 11

Percentuale posizioni di leadership INFN su numero totale posizioni

Percentuale partecipanti INFN su partecipanti totali

Struttura

PISA

PALOMBA C.

ASTRONOMY & ASTROPHYSICS 367 525 2001

AMICO P.

NUCLEAR INSTRUMENTS & METHODS IN PHYSICS RESEARCH SECTIONA-ACCELERATORS SPECTROMETERS DETECTORS AND ASSOCIATED

461 297 2001

CAGNOLI G.

PHYSICAL REVIEW LETTERS 85 2442 2000

CUOCO E.

CLASSICAL Q. GRAVITY 18 1727 2001

Elenco delle pubblicazioni più significative nel periodo luglio 2000 giugno2001

Percentuale budget INFN su budget totale %%%

Resp.Naz.: FLAVIO VETRANO

Nome primo autore Titolo della pubblicazione

Rivista Numero Pagine Data

COMPETITIVITA’ INTERNAZIONALEEsperimenti in competizione

Comitati internaz. che vagliano l'esperimento:

LIGO, TAMA

1

1 – Premessa:

a) Obiettivi dell’esperimento e quadro di riferimento:

L’obiettivo scientifico dell’esperimento VIRGO consiste nella rivelazione di onde gravitazionali; lesorgenti astrofisiche o cosmologiche cui ci si riferisce possono sinteticamente così elencarsi:

1) I sistemi binari di stelle di neutroni emettono segnali di notevole intensità e di chiara segnatura.

2) Le stelle di neutroni rotanti, a causa di eventuali ellitticità nella distribuzione di massa, emettono ondeperiodiche monocromatiche.

3) Le supernovae possono convertire parte della energia dell’esplosione in onde gravitazionali; i segnali attesihanno una segnatura temporale con durata del ms ma non hanno segnatura definita in termini di formad’onda.

4) Il background cosmologico di onde gravitazionali emesse durante il Big-Bang al tempo di Planck rappresental’obiettivo più complesso da raggiungersi, utilizzando coincidenze con altri detector per onde gravitazionali.

Le ampiezze delle onde gravitazionali attese sono così piccole ( h<10-21 Hz-0.5) da imporre larealizzazione di rivelatori dotati di tecnologie estremamente avanzate. Dopo anni di studi preliminari edintensa attività di R&D, è stato firmato un accordo tra I.N.F.N. e C.N.R.S. (Francia) per la realizzazionedell’antenna VIRGO, finanziata tramite il “Progetto Speciale VIRGO” che, iniziato formalmente nel 1994, siconclude con il corrente anno 2001.

Virgo, rivelatore interferometrico “tipo Michelson” avente 3 km di lunghezza delle cavità ottiche Fabry-Pèrot che costituiscono i bracci, è dotato dei sistemi più avanzati al fine di ridurre i rumori che competonocon il segnale di onda gravitazionale:- il rumore sismico viene soppresso da speciali sistemi, i Superattenuatori, tali da permettere a Virgo diessere sensibile fino a 10 Hz, mentre il rumore termico viene ridotto curando molto la qualità meccanicadegli specchi e del loro sistema di sospensione;- il laser viene filtrato sia in modi normali, al fine di utilizzare solo il modo TEM00, sia in frequenza (a livellodi 10-6 Hz-0.5) al fine di non aver noise indotto dalla differenza di time storage della luce nei due bracciortogonali.

La luce viaggia in due tubi di 1.2 m di diametro x 3km di lunghezza portati alla pressione di 10-9

mbar al fine di non creare rumore di fase dovuto a fluttuazioni dell’indice di rifrazione del gas residuo.Infine Virgo sarà dotato di un adeguato sistema di calcolo per poter estrarre il segnale gravitazionale

dal noise; a questo fine è importante notare che Virgo non è un detector direzionale e che quindi i segnali dionda gravitazionale sono contemporaneamente ricevuti da tutte le direzioni. Inoltre la posizione delleeventuali sorgenti è in genere non conosciuta: è quindi necessaria una enorme potenza di calcolo per estrarrei segnali. Al fine di migliorare il rapporto S/N e di avere informazioni sulla posizione della sorgente e sullapolarizzazione dell’onda, Virgo sarà parte integrante del network mondiale di detectors di ondegravitazionali ora in allestimento.

b) Stato della costruzione:

L’antenna che si sta sviluppando nella piana di Càscina, con i bracci diretti verso Nord e verso Ovestrispettivamente, è in fase di ultimazione sia per quanto concerne la struttura tecnologica e relative facilities,sia per quanto concerne le infrastrutture di funzionalità e supporto. Tutta l’area centrale è costruita: edifici,uffici, centrale di power supply, completata la costruzione tecnologica con tutti i superattenuatori (SA), illaser, l’injection bench, il detection bench, beam splitter, power recycling; è realizzato il vuoto completo sututte le torri dei SA, completamente equipaggiate; l’area centrale è inoltre completa, comprensivadell’elettronica, delle interfaccie e dei sistemi di monitoraggio ambientale e di controllo per il DAQ: si puòin sostanza dire che è ultimata la costruzione dell’Interferometro Centrale (CITF), un Michelson di 6 m, peril quale si sta completando il Commissioning. Si sta ora terminando la costruzione dei tunnel: il tunnel Nordè terminato mentre la costruzione del tunnel Ovest terminerà entro luglio 2001. L’edificio terminale nord èin avanzata fase di costruzione, mentre per l’edificio ovest la costruzione è appena avviata e la sua

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ultimazione seguirà di poco quella del braccio Nord, consentendo così nel 2002 di avviare il Commissioningdell’intero Interferometro di 3 km (ITF).

Per quanto concerne il vuoto, entro la prima meta' del 2002 sara' terminata l'installazione dei tubi avuoto e delle torri terminali, incluso il sistema di pompaggio. Si procederà quindi a mettere in funzione tuttoil sistema da vuoto, secondo le specifiche (10-6 mbar per le torri in alto vuoto, 10-9 mbar per i tubi da 3km ele torri in ultra-alto vuoto, dopo il bake-out a 150 °C).

Il sistema da vuoto comprende: 10 torri, due tubi da 3 km, il tubo Mode Cleaner da 144m, 4 grandivalvole terminali dei tubi, tutti i gruppi di pompaggio (10 per le torri e 12 per i tubi), il sistema diriscaldamento per il bake-out, il sistema di controllo via calcolatore.

Per quanto attiene alle sospensioni, l'Assembly & Integration dell'area centrale (4 torri lunghe e 3corte) e' concluso, mentre le sospensioni terminali saranno installate a partire dal Novembre del 2001; talefase dovrebbe concludersi nella Primavera del 2002.

Proprio per garantire l’ultimazione dei lavori di costruzione dell’antenna (e delle infrastrutturetecniche e logistiche relative), la loro manutenzione e mantenimento, una ottimale organizzazione del sito eduna apertura delle attività nel campo complessivo delle onde gravitazionali, si è costituito nel Dicembre 2000il Consorzio Italo-Francese EGO (European Gravitational Observatory), dotato di una sua strutturaoperativa, di autonomia finanziaria e di personalità giuridica.

Tale fatto, per la collaborazione Virgo, è stato di assoluta rilevanza per almeno due motivi: il primo,di valore concettuale, è il riconoscimento della dimensione dell’impresa, non più configurabile come unesperimento “localizzato”, bensì come un impegnativo e duraturo compito scientifico per il quale si rendevanecessaria una struttura “stabile”; il secondo, più pragmatico, è la possibilità per la collaborazione didedicarsi, da un certo punto in avanti, a compiti scientifici avendo la garanzia di essere sgravata di tutta unaserie di problematiche tecnico-logistiche che ne rallentavano ovviamente il cammino. Con un’ opportunasuddivisione di competenze, gli obiettivi per la collaborazione appaiono meglio definiti e le strategie perraggiungerli più snelle.

2 – Proposta Scientifica:

Come già detto, l’obiettivo fondamentale dell’esperimento VIRGO è la rivelazione delle ondegravitazionali. L’evoluzione strutturale descritta rende tuttavia quasi ovvio uno sviluppo scientifico tale daconsiderare impliciti due altri obiettivi strettamente collegati al primo, e cioè: effettuare tests decisivi sulleteorie della relatività generale tramite le misure delle caratteristiche delle onde gravitazionali; aprire il nuovocampo di indagine che già viene chiamato “astronomia gravitazionale”.

Considerando il contributo di EGO relativo alla ultimazione della costruzione ed al mantenimento emanutenzione dell’Osservatorio in toto, le attività scientifiche fondamentali verso cui la CollaborazioneVirgo focalizzerà i propri sforzi sono il Commissioning dell’Interferometro; l’Analisi dei Dati che siincominceranno ad acquisire dal 2002; una attività di R&D che permetta non solo di prevedere i necessarimiglioramenti dell’antenna, ma più in generale di essere presenti e competitivi anche nei confronti deglisviluppi che si stanno delineando nel campo dei detectors per onde gravitazionali di prossima generazione.

a) Commissioning di VIRGO:

a-1: Definizione e scopo del Commissioning:

Si intende per periodo di Commissioning di VIRGO quel periodo di attività (successivo alCommissioning dell’ Interferometro Centrale, CITF) che va dall’iniezione del fascio laser nei bracci lunghidel Michelson completo (3 km) sino alla validazione delle funzionalità previste per l’Interferometro finale(ITF). Anche se in linea di principio non comprende l’attività di assemblaggio ed integrazione (A&I) per letorri (N ed W) lontane, la fase conclusiva di questa parte di A&I può essere considerata come fasepreliminare del Commissioning. L’attività propria del Commissioning è comunque quella che comprendetutti i tests richiesti per la validazione della funzionalità dell’ITF, partendo da una completa e verificatasituazione di buon A&I.

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a-2: Obiettivi del Commissioning:

Possiamo sinteticamente individuare tre obiettivi: 1) portare l’interferometro nello stato diallineamento e locking; 2) verificare le prestazioni e l’affidabilità dell’interferometro; 3) studiarne lasensibilità.

- a-2.1 : raggiungimento dello stato di allineamento e locking dell’ ITF:

Le tecniche di allineamento lineare, basate su fotodiodi a quadranti e telescopi, sono analoghe aquelle già sperimentate per l’allineamento del CITF, cambiando però la frequenza di modulazione conconseguente adattamento dell’elettronica.

Per quanto riguarda il locking, dovrà essere definita una procedura automatica per l’acquisizione dellocking dell’interferometro finale, con o senza recycling. Attualmente le procedure considerate per il locking dell’interferometro sono:

i - Pulses Techniques (già simulate e sviluppate per il CITF)ii - Large Bandwidth Feedback (basate sul loop frequenza del laser/cavità di ricircolo)iii- Non Linear Techniques (studiate e sviluppate su interferometri sospesi nella Sezione di Napoli)

Va sottolineato che le Non Linear Techniques di cui sopra seguono un approccio deterministico allocking e sono state già implementate su prototipi di interferometri sospesi, valutandone e dimostrandonesperimentalmente l’efficacia e la robustezza. La procedura passa attraverso due step, di cui il primo riguardatests di tecniche digitali per l’acquisizione ed il mantenimento del locking con la messa a punto di unaprocedura di acquisizione completamente automatica che possa essere realizzata ed implementata medianteuna macchina a stati finiti (FSM) quale è il Supervisor di Virgo. Il secondo step riguarda il miglioramentodel sistema di misura delle funzioni di trasferimento, ed è connesso con l’attività relativa all’ AllineamentoNon Lineare e alle Memorie di Posizione degli elementi ottici dell’ITF. Il sistema è concepito come monitorlocale delle masse sospese: esso viene utilizzato nella fase di allineamento non lineare dell’interferometro e,una volta agganciata la configurazione di lavoro, per monitorarne le lente variazioni nel tempo.

Attualmente in Càscina (per il Commissioning del CITF) vengono usati due sistemi distinti:-A) Sistema di position memory (descritto precedentemente) che consente di allineare gli specchi del CITFmantenendoli fermi in configurazione ‘coarse” entro i valori di 1 µm (rms) lineari e di 1 µrad (rms)angolare, con banda passante di circa 10 Hz e buon range dinamico.-B) Il sistema di misura delle funzioni di trasferimento elettro-meccaniche delle sospensioni basato su diinterferometro ausiliario tipo Mach-Zender.

Partendo dall'esperienza fatta sul CITF, è maturata la proposta di realizzare un sistema ibrido (A eB) da installare su tutte le torri. L’obiettivo è quello di avere un sistema semplice che permetta di ottimizzareil controllo locale sulla più estesa banda possibile, con una sensibilità in spostamento sino a 10-9 m,accorciando in modo significativo i tempi di misura.

- a-2.2 : verifica delle prestazioni e della affidabilità dell’ ITF:

Il primo obiettivo sarà quello di ottenere il locking dell'ITF agendo sugli attuatori delle sospensioni,studiandone la robustezza ed il comportamento su lunghi periodi. In una seconda fase si studierà piùdettagliatamente (attività già iniziata per il CITF) il comportamento delle sospensioni (stabilita' dellefrequenze, eventuali lente derive) ed i rumori generati (creep noise, accoppiamento a perturbazioni esternedi tipo elettromagnetico).

Tali punti sono fondamentali per raggiungere il locking dell'interferometro con un eccellente duty-cycle e con basso rumore.

E’ opportuno ricordare che l’interferometro centrale è caratterizzato da specchi di dimensioni diverseda quelle di VIRGO finale.Pertanto tutti i “payloads” (costituiti dall’ultimo elemento della sospensione, dallospecchio e relativa massa di riferimento) dovranno essere smontati e riassemblati con gli elementi otticidefinitivi. Qui di seguito vengono elencate le azioni da intraprendere per arrivare ad avere l’ITF nella suaconfigurazione finale:

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-- Progettazione e realizzazione dei nuovi payload del beam splitter e dello specchio di recycling. Modificadella struttura per il relativo montaggio.

-- Realizzazione dei payload per le torri terminali di VIRGO. Il relativo montaggio negli edifici terminali èprevisto nel 2002.

-- Progettazione e realizzazione del payload e della relativa struttura di montaggio per il test dedicato allasperimentazione delle sospensioni monolitiche. Questa è una attività conseguente allo sviluppo dellesospensioni monolitiche portato avanti dal gruppo di Perugia. La realizzazione del payload è fondamentaleper sperimentare tutti quegli aspetti di affidabilità e compatibilità con il resto dell’apparato ed èassolutamente prioritario al fine di giungere in tempo utile a definire se questa soluzione possa essereadottata per la realizzazione dei payload di VIRGO finale.

- a-2.3 : studio della sensibilità dell’ITF:

La curva di sensibilità di VIRGO rappresenta la situazione in cui il rapporto S/N è pari ad 1. Apparequindi fondamentale caratterizzare il rumore di VIRGO, sia quello proveniente dallo strumento, sia quello diorigine ambientale. Si rende perciò necessario un adattamento del sistema di Environmental Monitoring sullabase delle esigenze emerse durante il Commissioning del CITF. A tale sistema è infatti richiesto dimonitorare vari parametri ambientali, come il rumore sismico, il rumore elettromagnetico, rumore acustico,temperature, pressioni, umidità, etc. in centinaia di punti dove è probabile, o è stato accertatosperimentalmente, che Virgo è più sensibile ad accoppiamenti.

a-3: Durata ed organizzazione del Commissioning:

Il Commissioning dell’ITF si concluderà per la fine del 2002, onde consentire l’avvio effettivo dellapresa dati. Come già fatto per il Commissioning del CITF, si procederà per tasks coordinate, sino araggiungere la verifica della completa funzionalità della macchina, il controllo del noise di origine interna edi quello di origine ambientale. La suddivisione delle attività tra i laboratori Italiani e quelli Francesiriguarderà soprattutto il personale tecnico e ricercatore che dovrà garantire la presenza sul sito per leoperazioni necessarie; la suddivisione dei compiti avverrà a tutti i livelli, con la massima intercompatibilità;ogni laboratorio conserverà comunque il controllo degli items di cui era responsabile durante la costruzione.

b) Data Analysis:

b-1: premessa - caratteristiche dei segnali GW “attesi”:

E’ innanzi tutto opportuno ricordare quanto sia cruciale lo sviluppo e l’applicazione di specifichetecniche di Signal Processing nell’analisi dei dati da antenne gravitazionali. L’ovvia motivazione è che,dovendosi rivelare segnali debolissimi rispetto al rumore di fondo del rivelatore, un corretto filtraggio puòportare ad aumenti del rapporto segnale rumore sino a fattori dell’ordine di 103.

Un esempio del guadagno in sensibilità ottenibile con un’efficiente applicazione di tecniche di“Signal Processing” all’analisi dati delle antenne interferometriche è mostrato nelle figure seguenti [1],dove nel primo diagramma è mostrato il segnale d’uscita del prototipo di rivelatore interferometrico per ondegravitazionali di Garching (Germania): in questi dati è presente anche un evento gravitazionale simulato didurata sensibilmente inferiore ai tempi di correlazione propri del rumore dello strumento. Ai dati è statoapplicato soltanto un filtro che limita la banda del rivelatore. Nella seconda figura si riporta il risultatoconseguente all’applicazione del filtro di Wiener-Kolmogoroff. L’individuazione dell’evento nel secondodiagramma e’ certamente più immediata: si tratta dell’impulso più alto che risulta sommato ai dati originalial tempo t = 31.9 s. La rivelazione del segnale avviene con un SNR ~ 5.2. Nel terzo diagramma si riporta ilrisultato dell’applicazione del cosiddetto filtro adattato ai dati dell’interferometro non limitati in banda. Inquesto caso il guadagno è impressionante: si ottiene un SNR ~ 52.

Dopo tale considerazione preliminare, vengono di seguito indicati gli ordini di grandezzadell’ampiezza h (perturbazione alla metrica spazio-temporale di un’onda gravitazionale) rivelata a Terra.

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♦ Ricerca di binarie coalescenti / segnali del tipo chirp

Sistemi binari NS-NS; NS-BH; BH-BH: alla distanza di 100 Mpc h = 10-22 - 10-21

Frequenza di interesse intorno a 100 Hz

♦ Ricerca per eventi impulsivi / eventi di breve durata di forma non definita

Lampi da Supernovae: alla distanza di 10 Mpc h = 10-23 - 10-22

Fase di merging di binarie coalescenti: alla distanza di 10 Mpc h = 10-21

♦ Ricerca di sorgenti periodiche / segnali continui quasi monocromatici

Pulsar (con sufficiente ellitticità): alla distanza di 3 kpc h = 10-25

Il SNR può essere aumentato integrando il segnale con lunghi tempi di osservazione (1 anno)Frequenze di interesse sino a 2 kHz

♦ Ricerca di rumore gravitazionale stocastico / rumore di fondo generalmente supposto a statisticagaussiana

Correlazione di segnali con altri interferometri

Accanto al lavoro di analisi dati relativo all’estrazione di questi segnali dal rumore, occorrerà affrontareanche le seguenti problematiche:

♦ Studio del rumore del rivelatore

Caratterizzazione delle sorgenti di rumore del rivelatore e studio dettagliato dei fenomeni stazionari enon stazionari, gaussiani e non gaussiani

♦ Analisi combinata con dati da altri rivelatori

- Coincidenze con altri rivelatori gravitazionali :

Reiezione di eventi spuri e determinazione di limiti superiori al flusso di Onde Gravitazionali

Determinazione delle caratteristiche dell’onda (polarizzazione, direzione) ed aumento delSNR

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- Coincidenze con altri tipi di rivelatori (per neutrini, raggi X, gamma, osservazioni astronomichenell’ottico e nel radio):

Integrazione delle informazioni relative al moto coerente di materia (che determinal’emissione di onde gravitazionali) con quelle di processi microscopici che intervengononella dinamica stellare

Conclusa questa premessa, che tende a mettere in evidenza l’importanza di questo aspettodegli esperimenti gravitazionali, vediamo ora di sottolineare alcune particolarità dei segnali fornitida rivelatori interferometrici sulla superficie terrestre:

Curva di sensibilità di Virgo

a - La curva di sensibilità del rivelatore rappresenta la linea su cui si ha SNR = 1; considerando le ampiezzepreviste per le onde gravitazionali da sorgenti astrofisiche, esse sono nell’intorno di tale linea per tutti irivelatori della presente generazione: questo significa che il rapporto SNR per i segnali che si stannocercando è prossimo all’unità, spesso inferiore. Ciò ha come ovvia implicazione la necessità di svilupparealgoritmi che richiederanno strategie di ricerca “coerente” del segnale, in modo da migliorare l’efficienza delcalcolo: la più ovvia è la integrazione coerente su tempi lunghi del segnale (se questo è continuo come nelcaso dei segnali emessi da pulsar), o il confronto “correlato” con un gran numero di templatesufficientemente ampi nello spazio dei parametri (se il segnale è impulsivo (burst) o comunque inseguibile sutempi così brevi da non consentirne una integrazione significativa rispetto al rumore incoerente come nelcaso dei segnali emessi da sistemi binari nella fase finale del processo di coalescenza). In ogni caso questocomporta grandi risorse di computing power, come sempre avviene nei casi in cui l’analisi dati è basatasull’uso intensivo di “step” coerenti.

b – il rumore ambientale e strumentale è verosimilmente colorato, non stazionario, con significativecomponenti non-gaussiane. Questo richiede una enorme attività di monitoraggio ambientale e strumentale,con la caratterizzazione statistica del rumore, il suo sbiancamento, la possibilità di una sottrazione statisticaper produrre infine un segnale soddisfacente a criteri di qualità dei dati estremamente rigorosi. Leimplicazioni sul flusso di dati e sugli algoritmi che concorrono a definire i trigger del calcolo on-line sononotevoli.

c – i segnali transitori, sia impulsivi quali i burst da Supernova (τ ~ 1 ms) o di breve durata quali quelli dellebinarie coalescenti (τ ~ 1000 - 2000 s per Virgo ) sono rari; i segnali continui vanno integrati su tempi lunghi(scala dei tempi d’osservazione: diversi mesi-un anno), scalando il rapporto SNR come la radice quadrata deltempo di osservazione. Questo implica che il rivelatore deve essere mantenuto in presa dati con continuità:

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esisterà ovviamente un piano di manutenzione e/o di upgrading, che dovra essere reso compatibile con l’assoluta necessità di mantenere in funzione il rivelatore il maggior tempo possibile. Tutto ciò ha dueimplicazioni:

--il flusso di dati da archiviare (e da distribuire in varie forme agli utenti) avrà comunque un valoreintegrale alto, con necessità spinte sulle tecniche di “retrieval” dei dati

--non sarà mai possibile utilizzare per calcolo off-line le risorse di calcolo della struttura dedicata alprocessamento on-line dei dati; è anzi un obbligo evitare interferenze tra le due strutturecomputazionali di on-line ed off-line, per non danneggiare irreversibilmente i dati nel momentoiniziale del processing e della qualificazione del segnale. Come si vedrà l’aggravio in termini dinecessità di hardware per questa scelta obbligata è pesante

d – la potenza di calcolo disponibile condiziona il rapporto SNR a seconda della natura del segnaleconsiderato. Questo condizionamento riveste un’importanza tanto maggiore quanto più il SNR è critico. Laricopertura di un segnale esprime in percentuale quanto siamo lontani dall’utilizzare in maniera ottimale lasensibilità strumentale, ovvero di quanto peggioriamo il SNR a causa della finitezza del calcolo. Peggioraredi qualche punto percentuale la ricopertura di un segnale con SNR grande, non incide significativamentesulla bontà del risultato fornito dallo strumento. Ma nel caso di piccolo SNR, ogni diminuzione di ricoperturadel segnale si ripercuote più gravemente sui risultati osservativi, poiché il peggioramento della sensibilitàinveste una situazione già critica. Ad esempio, nel caso della ricerca dei segnali da binarie coalescenti laricopertura di un segnale può sempre pensarsi come un processo di correlazione tra il segnale d’uscitadell’interferometro e famiglie di forme d’onda differenti (template) sino a trovare il template statisticamenteottimo: una ricopertura del 100% implica sostanzialmente la certezza nella definizione del template ottimo.Più ampio è l’archivio dei template, più alta sarà la ricopertura del segnale. Tuttavia, maggiore è il numero dimodelli, maggiore è il numero di operazioni di confronto e, in definitiva, maggiore la richiesta di potenzacomputazionale.

b-2: Caratteristiche del DAQ – Stream dei dati:

I segnali da acquisire, forniti specificatamente dall’antenna Virgo, sono riconducibili a:

1 – uscita dal fotodiodo rilevatore dello sfasamento accumulato nei due bracci del Michelson;

2 – segnali relativi al controllo delle varie parti dell’antenna;

3 – segnali di monitoraggio “ambientale” esterno ed interno.

Il punto 1 si riferisce alla complessa struttura del “detection bench”, dove, al fine di non saturare (odanneggiare) la parte di fotorivelazione, il beam viene diviso in sottofasci ed investe 16 fotodiodi. Il fasciolaser primario subisce una modulazione ed i segnali dei fotodiodi una demodulazione, per cui si opera con latecnica di eterodina. In definitiva si ha che il “segnale di errore”, usato per chiudere il loop, contiene in séanche l’informazione sull’onda gravitazionale. Poichè la banda di indagine va da qualche Hz a 10 kHz, ilcampionamento è fatto a 20 kHz.

Il controllo dell’antenna si riferisce al controllo dei vari loops relativi alle sospensioni che devonogarantire l’isolamento meccanico (rumore di spostamento) e la stabilità dei sistemi ottici (rumore di fase). Inparticolare per il noise meccanico il problema del controllo è a bassa frequenza, per cui si può effettuare uncampionamento a frequenze minori (0.5 kHz); ma per i rumori di fase il campionamento va comunqueeffettuato a 20 kHz.

Il monitoraggio ambientale si riferisce in particolare al continuo rilevamento di tutti i fenomenisorgenti (o anche solo potenzialmente sorgenti) di noise. In particolare vanno rilevati tutti i fenomeni nonstazionari che sono la principale fonte di simulazioni di onde gravitazionali; il campionamento per iprincipali parametri ambientali, lentamente variabili, è effettuato a bassissima frequenza (slow monitoringad 1/60 Hz).

Tutti i dati campionati vengono inseriti come serie temporali in una struttura sequenziale (file)composta da unità elementari (frame) ognuna delle quali corrisponde ad 1s di dati. Ogni frame ha unastruttura autonoma, nel senso che contiene in sé tutti i dati sufficienti ad identificarlo ancheindipendentemente dal precedente e/o successivo frame. Esso è una completa serie di dati e del suo

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vocabolario per quel secondo. Questa scelta ed il formato dell’intero set di dati è stata concordata tra VIRGOe LIGO; si spera che possa essere accettata anche da TAMA e dal futuro interferometro australiano per unpiù immediato scambio di dati tra tutta la comunità scientifica internazionale impegnata nella ricerca di OndeGravitazionali.

Alla luce di quanto detto, nella tabella successiva si sintetizza l’ordine di grandezza del flusso di daticome emerge da una completa analisi del DAQ di Virgo [2]. In essa per “Processed Data” si intendono i datisui quali è già stato fatto il primo processamento, consistente sostanzialmente in una validazione del dato insè e nella ricostruzione di “h”, ampiezza del segnale. Essi costituiscono un dato “ridotto”, in cui non vi è piùla serie temporale originale, ma il suo “risultato”. I “Selected Data” sono i “Processed Data” a cui siaggiungono alcuni “Raw Data” considerati “interessanti” .

Raw data Processed data Selected dataFlow/s 4.0 MB .3 MB .34 MB (1%)

.7 MB (10%)

Flow/day 350 GB 26 GB 30 GB (1%)60 GB (10%)

Flow/year 126 TB 9.5 TB 11 TB (1%)22 TB (10%)

Tapes/year (50 GBDLT)

2500 190 220 (1%)440 (10%)

Tabella 1 – Flusso dei dati (grezzi, processati, selezionati) per differenti periodi di tempo. Il numero di nastri registrati per anno èstato valutato assumendo nastri DLT con capacità di 50 GB. Si è tenuto conto di un fattore di compressione 2. Il valore in parentesirappresenta la percentuale di dati grezzi selezionati dai triggers attivi on-line: tali dati si sommano ai dati processati.

b-3 : Il Virgo Computing Model:

Dopo una attenta individuazione delle sorgenti di rumore, delle necessità di controllo e validazionedati in riferimento allo strumento e all’ambiente, e seguendo una suddivisione di competenze e responsabilitàall’interno dei gruppi (individuata da sigle con la consueta procedura dei WPs), si è prodotto il modello dicalcolo per Virgo, il Virgo Computing Model (VCM), che può così riassumersi:

♠ E’ fondamentale avere una netta separazione tra l’attività on-line e quella off-line. La prima èuna parte sensibile che non deve essere disturbata in alcun modo onde garantire una ottimaefficienza al Data Acquisition; per la seconda si deve avere un pieno e rapido accessoall’insieme dei dati di Virgo.

♠ Le caratteristiche richieste alle capacità di calcolo sono sia di poter trattare molti dati ad unità ditempo (high throughput) per la ricerca di sorgenti impulsive, sia di avere grande potenza dicalcolo come CPU (high performance computing) per ricerca di binarie coalescenti e pulsar.

♠ Necessità per il calcolo on-line: esso riguarda il Data Acquisition (raw data, on-line processing,on-line triggers per binarie coalescenti e bursts da Supernova) ed il Controllo dell’Interferometro(running, controllo della macchina, qualità dei dati e diagnostica). Le necessità di calcolo siriferiscono essenzialmente alla ricerca di possibili candidati per sistemi binari in coalescenza; latecnica utilizzabile prevista è quella del matched filtering con templates ad un ordine prefissatodi approssimazione Post Newtoniana. Questo richiede un ampio spazio disco per lo storage deitemplates e notevoli risorse di CPU. Nella tabella 2 sono riportati i risultati delle necessità dicalcolo previste per questa attività [3].Una possibile scelta con parametri fisici “ragionevoli” per i sistemi binari in coalescenza èevidenziata in colore; la potenza di calcolo richiesta è di 300 Gflops: un valore piuttosto alto, masenz’ altro alla portata della tecnologia attuale. La potenza di calcolo richiesta per le sorgentiimpulsive è invece trascurabile rispetto a tale valore: andranno però sviluppati algoritmi robustiin quanto la forma d’onda non è a priori nota e non è possibile utilizzare tecniche di filtriottimali.

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Frequenza iniziale di inseguimento: 20 Hzm / M⊕ Gflops Nodes Gbytes SNR

recovery.25 1500 1250 6400 96.8 %.5 300 250 4400 96.8%1 56 47 280 96.8 %

Frequenza iniziale di inseguimento : 40 Hzm / M⊕ Gflops Nodes GBytes SNR

recovery.25 450 375 2200 94.8 %.5 86 72 150 94.8 %1 17 14 10 94.8 %

Tabella 2: Stima della potenza di calcolo necessaria per la ricerca di segnali da binarie coalescenti nella loro fase finale. Sono stateconsiderate tre differenti masse (espresse in unità di masse solari) come limite inferiore dell’intervallo esplorabile e due frequenzeiniziali di inseguimento del segnale. La potenza di calcolo è espressa in miliardi di operazioni in virgola mobile al secondo(GFLOPS) ed il numero di nodi è stato stimato sulla base di una prestazione di 1.2 GFs/nodo.

♠ Necessità per il calcolo off-line: esso riguarda la coincidenza con fenomeni astrofisici, ilcalcolo correlato con altri interferometri, gli studi sulla caratterizzazione del noise, ilriprocessamento dei dati ed infine (decisamente più impegnativa dal punto di vista dellarichiesta di computing power) la ricerca di sorgenti continue. Per tale ultimo punto, il metododi ricerca ottimale per sorgenti periodiche è basato sulla valutazione di Fast FourierTransform estremamente lunghe; infatti l’integrazione del segnale richiede lunghi tempi diosservazione/acquisizione. Inoltre si rendono necessarie le correzioni per l’effetto di “spin-down” (il rallentamento della rotazione intrinseca dovuto alla emissione di energia) dellasorgente e per l’effetto Doppler dovuto al moto relativo sorgente-osservatore. Questoconduce ad avere un gran numero di punti nello spazio dei parametri: inoltre la banda difrequenza esplorabile è molto ampia. Di fatto la ricerca a tutto cielo (blind search) di sorgentiperiodiche richiede risorse al di là di ogni ragionevole valore. Nella tabella 3 vengonomostrate tali richieste nel caso di dati relativi ad un tempo di acquisizione di 1 anno, tempodi spin-down osservabile 10000 anni, banda di frequenza 2.5 kHz.

Tabella 3

Lunghezza della FFTs 1.5780E+11

Numero dei bins di frequenza 7.8900E+10

Numero di bins nella banda Doppler 1.5780E+07

Risoluzione angolare (rads) 6.3371E-08

Numero di punti nel cielo 3.1291E+15Numero totale di parametri di s-d (sinoall’ordine 3) 2.4901E+10Numero totale di punti nello spazio deiparametri 7.7918E+25

Numero di Flops per FFT 5.8701E+13

Operazioni richieste 4.5738E+39

Computing power necessaria (TFlops) 2.8985E+20

Esclusa la blind search con tecniche ottimali, le scelte percorribili sono quindi: da una partecercare i segnali dalle pulsar galattiche note (circa un migliaio, di cui forse 200–300potrebbero emettere nella banda utile di Virgo, ammesso che abbiano sufficienteeccentricità); dall’altra utilizzare tecniche sub-ottimali; in entrambi i casi si deve giungeread algoritmi che portino a validi risultati con una potenza di calcolo che non superi il

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TeraFlops, potenza ragguardevole ma non irraggiungibile. E’ opportuno sottolineare chemodelli di distribuzione delle pulsar galattiche possono ridurre la parte di cielo da seguire,aiutando a diminuire di qualche fattore la potenza di calcolo richiesta.

? Data storage: considerando la durata tipica della presa dati (anni), si deve pensare amantenere “on near-line” almeno tre anni di dati (raw- e reduced-data) corrispondenti acirca 800 TB con accesso sufficientemente rapido. Si rende necesario un robot per lo storagedei nastri nella libreria ed un sistema con data server (almeno 10 TB di disco cache).

b-4 : Il calcolo in VIRGO ed il progetto GRID:

- b-4.1 : Il calcolo in Virgo e le possibilità di sviluppo di calcolo distribuito

L’interferometro centrale di VIRGO (CITF) produrrà dati nel 2001. Questi devono essere analizzatia fini diagnostici della macchina ed allo scopo di testare e raffinare gli algoritmi di analisi.

Dati dell’interferometro completo sono previsti per il 2003. Entro questa data, le procedure d’analisidevono essere mature ed un forte nucleo delle risorse di calcolo necessarie deve essere disponibile. Vediamo,sulla base di quanto già detto, di dedurre esplicitamente i requirements per l’analisi dati off-line riportandodi seguito una lista necessariamente parziale di tali attività. Alcune di esse sono già in pieno svolgimento,come quella relativa alla simulazione strumentale, altre sono in fase di sviluppo, come gli algoritmi ed icodici relativi alla ricerca delle varie categorie di segnali.

Simulazione dati di Virgo. Questa attività è basata sul processamento di dati simulati in ambienteSIESTA. Il flusso dati, così come il formato, è analogo a quello dei dati reali. La simulazione èfondamentale per definire l’efficienza dei vari passi di analisi previsti lungo la catena d’elaborazione on-line.

Caratterizzazione delle sorgenti di rumore dell’interferometro. L’analisi è strettamente connessa conlo sviluppo della simulazione ed è prevista già per l’interferometro centrale. Essa implica un pesante lavorodi riprocessamento dei Raw Data ed ha come obiettivi primari la caratterizzazione delle sorgenti di rumoredell’apparato, lo sbiancamento dei dati, la verifica dell’efficienza di trigger e la ricostruzione degli eventi.

Ricerca relativa ai transienti generati da collassi stellari. Tali eventi sono caratterizzati da brevedurata (da qualche millisecondo a un secondo) e da forme d’onda molto variabili (e di difficilemodellizzazione). Si richiedono pertanto algoritmi robusti e molto generali; la potenza di calcolo è peròmodesta (GFlops) così come lo spazio disco per lo storage. Si stanno sviluppando interessanti algoritmi daparte della componente francese della collaborazione (LAL, OCA).

Ricerca off-line di segnali da binarie coalescenti. La potenza richiesta è confrontabile con quellaprevista per l’analisi on-line, ma con un caveat: aumentano i tempi di transito “memoria-elaborazione”, inquanto si recupera il dato immagazzinato; questo rende molto più marcata la differenza tra potenza nominalee potenza sostenibile dal computer, per cui si può pensare ad una necessità di 300 Gflops “sustained”, pari adalmeno 400-500 Gflops nominali. La copertura del segnale sarebbe quasi completa con un evidente utilizzodi tutta la sensitivity di Virgo.

Ricerca di segnali continui da stelle di neutroni asimmetriche in rapida rotazione. La ricerca èbasata sullo sviluppo di tecniche di analisi “sub ottimali” che consentono di affrontare la ricerca a tutto cielodi sorgenti di frequenza di rotazione sconosciuta, limitando la potenza di calcolo necessaria nel range diqualche Tflops, potenza ragguardevole ma non irraggiungibile. Va sottolineato che l’appetibilità della fullsky search è legata alla previsione di 109 stelle di neutroni galattiche previste nei modelli correnti, contro le103 attualmente note. L’algoritmo di ricerca è basato sulla trasformata di Hough. Si mappa il cieloassegnando la probabilità di falso allarme e si ritorna con passi successivi ed iterativi sulle regioni in cui laprobabilità di avere una sorgente è più significativa; il costo computazionale è relativamente basso, poiché sipuò far uso di FFT su brevi sequenze di dati. Riducendo la probabilità di “falso allarme” si opera unaselezione nello spazio dei parametri e, dopo un’opportuna operazione di “zooming”, si procede a processaresequenze di dati selezionati con FFT complesse a più alta risoluzione [4]. A titolo di esempio si riporta intabella 4 il costo computazionale per un tipico schema di calcolo con strategia gerarchica basato su unaopportuna separazione delle bande di frequenza nelle quali operare la ricerca. Il valore richiesto è di circa 3Tflops, valore che può essere abbassato (ma purtroppo non abbattuto) con un’ottimizzazione dell’algoritmousato (trasformata di Hough).

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Tabella 4 - Parametri Computazionali e Potenza di Calcolo per la ricerca di segnali continui

Banda 1 Banda 2 Banda 3 Banda 4Frequenza Max della banda (Hz) 2500 625 156.25 39.0625Risoluzione angolare nel cielo (rad) 1.9073E-03 3.8147E-03 7.6294E-03 1.5259E-02Parametri di Spin down (solo ordine 1) 839 419 210 105Numero Totale di parametri 2.8976E+09 3.6220E+08 4.5275E+07 5.6594E+06Numero totale di operazioni 2.8577E+19 8.9302E+17 2.7907E+16 8.7209E+14Potenza di calcolo complessiva (GFlops) 3.6219E+03 1.1318E+02 3.5370E+00 1.1053E-01

Analisi dati di una rete di antenne. Lo scambio dati con altri rivelatori è fondamentale per questotipo di esperimenti; in particolare ciò è vero per i transienti brevi, i segnali tipo chirp ed il fondo stocasticoche verranno analizzati con algoritmi tipici della on-line analysis, considerando “N” detectors come un’unicamacchina. La crescita del costo computazionale è circa lineare con il numero di detectors considerati. Virgoscambierà dati con i due interferometri americani di LIGO e con altri rivelatori. Al fine di definire iprotocolli di scambio sono previsti tests già nel 2001, basati sullo scambio di dati dell’environmentalmonitoring system degli esperimenti.

L’ipotesi secondo cui è stato sviluppato il Computing Model di VIRGO (VCM) è basatasull’assunzione dell’esistenza di un Tier di base con almeno 300 Gflop disponibili per la ricerca di segnaligenerati nella fase terminale della coalescenza di sistemi binari (chirp), 1 Tflop per la ricerca di segnalicontinui emessi da stelle di neutroni rotanti nella nostra galassia ed un sistema di archiviazione dati(includente un robot per il retrieval process).

Al momento in cui viene scritto questo documento è in discussione la proposta di accumulare risorsedi calcolo per Virgo nel costituendo Tier 1 unico dell’INFN. Si tratterebbe di un punto di accumulazione,collocato a Bologna, dove convergerebbero le risorse per i Tier 1 di ALICE, ATLAS, BaBar, CMS, LHCb eVIRGO. A questo sito si aggiungono i Tier di livello inferiore che fungono da polo di sviluppo ecomplemento delle due specifiche attività quali la ricerca dei segnali continui ed il riprocessamento datirelativo alla ricerca dei segnali tipo “chirp”.

Il laboratorio VIRGO di Cascina è quindi il luogo di produzione dei dati; essendoci la disponibilitàdel centro di Lione per l’installazione di un sitema di mass storage per l’archiviazione su nastro, il Tier 1italiano dovrà svolgere funzione di archiviazione dei “Raw Data”su dischi (secondo archivio ad accessodiretto) ed avere sufficiente potenza di calcolo per contribuire in modo significativo a coprire le necessità dicalcolo per la ricerca dei segnali tipo chirp e quelli da Pulsars. Riportiamo qui di seguito un quadrocomplessivo delle risorse del sistema di Tiers e quindi il quadro relativo al Tier 1- Italia (ipotizzando unoscenario in cui la precedente richiesta avanzata in Commissione II e che prevedeva strutture di calcolo perNapoli e a Roma per un totale di 150 Gflops, sia stata approvata):

Quadro complessivo delle risorse di calcolo off-line di Virgo – Italia

units end 2001 end 2003 . CPU capacity* 80 kSI2000 (350 GFlops) 800kSI2000(3.5TFlops)disk capacity TBs 10 100disk I/O rate GBs/s 5 5

______________________________________________________________________________* [comprensivo delle risorse di tutti i laboratori (Bologna, Firenze/Urbino, Napoli, Perugia, Pisa, Roma1)]

Quadro di sviluppo del Tier 1 di Virgo Italia

units end 2001 end 2003 .CPU capacity 46 kSI2000 (200 GFlops) 300 kSI2000 (1.3TFlops)disk capacity TBs 8 100disk I/O rate GBs/s 5 5

_______________________________________________________________________

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Le potenze di calcolo necessarie all'elaborazione ed il volume di dati prodotti di cui si parla, sono talida spingere verso la sperimentazione di nuove soluzioni tecnologiche in questo ambito. Attualmente ilprogetto americano Grid è oggetto di grande attenzione e si sta concretizzando in operative proposte diricerca e sviluppo coinvolgenti enti quali la NASA e l’NSF negli USA, la EU, l’ESA, il CERN e le agenziedi ricerca dei più grandi paesi europei (CNRS, INFN, MPG, PPARC). Per i nuovi esperimenti di FisicaFondamentale il volume dei dati prodotto si misura in TBytes e le potenze di calcolo necessarie per l'analisiin TFlops. L'analisi dei dati va quindi concepita in modo tale che la numerosa comunità di ricercatoricoinvolti, geograficamente distribuita, possa accedere efficientemente a questo grande volume di dati,sviluppando analisi computazionalmente intensive.

In ordine di tempo i rivelatori interferometrici di Onde Gravitazionali sono i primi a porresignificativi problemi dal punto di vista dell'elaborazione dei dati. In particolare Virgo ha il problema dellosfruttamento congiunto delle risorse di calcolo INFN-Italia / CNRS-Francia. Inoltre si porrà a breve ilproblema dell’analisi della rete di antenne dei progetti anglo-tedesco (GEO), americano (LIGO) egiapponese (TAMA), oltre che delle barre risonanti. La collaborazione americana LIGO sta mettendo apunto la tecnologia di calcolo distribuita partecipando attivamente al progetto USA GriPhyN e per questo harecentemente chiesto alla controparte europea di manifestare un attivo interesse per la messa a punto di unprototipo e alla sperimentazione di una Grid transoceanica. Probabilmente questa è la strada per affrontarel’analisi del network di antenne

Da parte italiana l’attenzione della collaborazione al progetto INFN Grid deve concretizzarsi nellosviluppo di un prototipo di griglia che consenta da una lato di fornire localmente mezzi sufficienti allacorretta sperimentazione degli algoritmi e dei codici con i dati dell’interferometro centrale, e dall’altra disperimentare gli strumenti ed il “middleware” sviluppato per Grid per il problema specifico dell’analisi datidi Virgo.

- b-4.2 : La struttura del sistema di calcolo distribuito:

Le necessità iniziali per lo sviluppo di questo sistema distribuito possono così riassumersi:

Tier-0: Virgo (Cascina): Le strutture di calcolo ridondanti per l’analisi on-line ed i sistemi di “data storageand data distibution” sono la spina dorsale della struttura del Tier 0 di VIRGO, che è a Cascina (luogo diproduzione dei dati e del processamento on-line).

È in corso l’installazione di una farm per l’analisi on-line che, unita a strutture già esistenti o in viadi attivazione, porterà a 100 GFlops la computing power del sito.

Tier-1: Virgo (Bologna): Al momento in cui viene scritto questo documento è in discussione la proposta diaccumulare risorse di calcolo per Virgo nel costituendo Tier 1 unico dell’INFN. Si tratterebbe di un punto diaccumulazione, collocato a Bologna. Abbiamo previsto per VIRGO di raggiungere realisticamente per il2002 una potenza di calcolo di 80 kSI2000 (350 GFlops) e una disk capacity di 10 TBytes

Occorre provvedere alla formazione dei Tiers di livello 2 e di livello 3 di VIRGO Italia, per i qualile funzioni sono di seguito riassunte:

Tier-2:

Napoli: Il gruppo VIRGO della Sezione di Napoli sta studiando l’implementazione della strategia di ricercadi segnali da binarie coalescenti, basandola sia su algoritmi standard quali matched filter sia con altri di tipoadattivo.

Roma: Il gruppo VIRGO della Sezione di Roma sta preparando la struttura del data base delle Short FastFourier Transform (SFDB) necessario per lo sviluppo della procedura di rivelazione dei segnali continui inVirgo. Il lavoro è condotto in collaborazione con il consorzio di calcolo del CASPUR.

Entrambi i gruppi condurranno la sperimentazione tesa all’ottimizzazione di procedure per il calcolodistribuito su farm ed in ambiente Grid per tali algoritmi e all’ottimizzazione dei tempi di calcolo.

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Tier-3:

Firenze/Urbino: Il gruppo VIRGO di Firenze/Urbino ha una esperienza specifica nell’analisi dei dati inAstrofisica ed Astronomia, e nella analisi del rumore

Perugia: Il gruppo VIRGO di Perugia ha una esperienza specifica sullo sviluppo di Cluster di PC edottimizzazione in ambiente di calcolo parallelo.

Entrambi i gruppi contribuiranno al riprocessamento dei dati e parteciperanno sia alla ricerca deisegnali da binarie coalescenti, sia a quella relativa alle Pulsar, con risorse basate su farm locali ed integratenell’ambiente Grid.

b-5 : Crescita dei laboratori:

Per l’anno 2001, nell’ambito della seconda Commissione scientifica Nazionale, all’interno del piùgenerale Progetto VIRGO R&D, è stato richiesto lo stanziamento delle risorse per costituire i prototipi diTiers 2 (mentre i Tiers 3 sarebbero partiti con le risorse di calcolo già disponibili nelle singole Sezioni):

RomaCluster da 50 GFlops; Storage (Server + Dischi ) ~ 0.5 TBs;Uplink con monoconnesione da 1Gbit e pluriporte Fast Ethernet

NapoliCluster da 100 Gflops; Storage (Server + Dischi ) ~ 1 TBs;Uplink con monoconnesione da 1Gbit e pluriporte Fast Ethernet

Nell’anno 2002, anche tenendo conto di quanto finanziato e realizzato nel 2001, si intende:- mettere a punto i prototipi dei Tier interconnessi in rete, provando l’efficienza degli algoritmi sui dati

simulati, sui dati dell’interferometro centrale (finalizzati a strategie di ricerca di binarie coalescenti),- implementare un primo prototipo di SFDB per la ricerca dei segnali continui e provare l’efficienza della

procedura basata sulla trasformata di Hough comparata con quella basata sulla trasformata di Radonutilizzando dati simulati e dati dell’interferometro centrale

Nell’anno 2003 si procederà al test dell’intera procedura d’analisi per le sorgenti continue e laselezione delle procedure di trigger per le binarie coalescenti.

Le richieste per lo sviluppo ed il completamento dei Tiers 2 e 3 verranno opportunamente modulate(dal 2002 al 2005) sulla base di una stretta aderenza allo sviluppo della funzionalità dell’antenna VIRGO.

Le necessità per il Tier 1 sono state già riportate più sopra: la configurazione finale da 1.3 TFs deveessere raggiunta entro il 2003.

c) Attività di R&D:

c-1 : Gli R&D del Progetto Speciale e la sigla VIRGO R&D :

Dopo una intensa attività di R&D nella fase preparatoria dell’esperimento, durante la costruzione diVirgo tale attività è stata oggettivamente modesta: solo negli ultimi anni, da parte dei laboratori italiani, si èindirizzato uno sforzo non indifferente verso la realizzazione presso la Sezione di Pisa di una facility (un SAVirgo-like) da utilizzarsi in primis per misure di spettro di thermal noise fuori risonanza, in particolare abasse frequenze (LFF, Low Frequency Facility); simultaneamente una sistematica analisi delle proprietàdissipative di varii materiali veniva condotta (in particolare a Perugia) per riuscire a costruire sospensionidell’ultimo stadio di Virgo caratterizzate da un più basso livello di thermal noise (LDSW, Low DissipationSuspension Wires). Queste attività venivano unificate nella sigla VIRGO R&D, esperimento presentato efinanziato nell’ambito della seconda Commissione scientifica Nazionale dell’I.N.F.N. e che comprendevaanche una attività di monitoraggio del vuoto di Virgo (UVVV, Ultra Violet Vacuum Virgo) proposta eportata avanti da un gruppo dell’Università di Pisa. Valutate poi le impellenti necessità di calcolo di Virgo(attuali ed in proiezione futura), nella stessa sigla veniva inserita anche una attività di calcolo compatibile edinseribile nel più ampio progetto INFN GRID (Virgo GRID).

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Considerato tuttavia che dal 2002 si presenta una sigla “VIRGO” alla seconda Commissionescientifica Nazionale, appare opportuno inserire le attività di R&D direttamente in questa nuova sigla, cheassorbe quindi la precedente VIRGO R&D. Le richieste di calcolo dal 2002 in avanti sono già state descrittepiù sopra, mentre le altre iniziative di R&D attivate durante il Progetto Speciale giungeranno alla loronaturale conclusione secondo le aspettative prevedibilmente nel 2001 o, per qualche necessariocompletamento, potranno avere una breve prosecuzione.

c-2 : Gli R&D dell’esperimento VIRGO :

Una ben qualificata attività di R&D si rende necessaria sia per fornire necessari upgradesdell’antenna su tempi medi, sia per preparare la realizzazione dei detectors della prossima generazione.Quest’ultima è ovviamente programmata su tempi più lunghi ed è comunque prevista per tutti gliinterferometri attuali: Large Cryogenic Gravitational Telescope (LCGT) in Giappone e Advanced LIGO (oLIGO II) negli USA sono già in parte pianificati come attività di R&D; in Europa si è già presa inconsiderazione la possibilità di avviare studi di fattibilità di un detector avanzato (EURO).

In tale ottica di sviluppo si intende proporre una serie di attività, in parte già studiate e/o avviate, cheimpostate su tempi medi costituiscono la base per sviluppi più ampi: in particolare si vuole partire dallacomprensione e possibile abbattimento (hardware e/o software) dei noises attualmente limitanti, quali ilrumore termico ed il rumore sismico, considerando anche la connessione di quest’ultimo con il rumorenewtoniano. Una più dettagliata descrizione di tutte le attività di R&D, di seguito elencate, è allegata alleproposte delle singole sedi coinvolte.

-c-2.1 : Completamento della LFF e di UVVV:

Il sistema di monitoraggio del vuoto (UVVV), attualmente in fase di sperimentazione, potrebberichiedere implementazioni per un uso più ampio. Tale attività verrebbe ancora svolta dalla Sezione di Pisa.

Si continuerà inoltre la presa dati sulla torre di R&D della LFF onde meglio caratterizzare il thermalnoise e, con piccoli accorgimenti, raggiungere lo scopo della costruzione di una facility multiscopo perVIRGO; a tale attività partecipano tutte le Sezioni INFN di Virgo. In particolare presso la Sezione di Napolisi sta studiando un sistema di Pound-Drever, a frequenze elevate e con bassissimo rumore, per il controllodella lunghezza della cavità ottica, in due diverse configurazioni della cavità stessa. La prima configurazionesarà con specchi concavi e con dimensioni dello spot ridotte rispetto alle dimensioni della superficie dellospecchio; la seconda configurazione sarà a specchi piani e paralleli. In questo secondo tipo di cavità, chesono illuminate con spot di dimensioni paragonabili a quelle utilizzate per VIRGO, è possibile ridurre lalunghezza fino a valori sub millimetrici, aumentando così la sensibilità del dispositivo agli spostamenti. Lecavità a specchi piani e paralleli presentano una elevata sensibilità al disallineamento; pertanto saràimportante che il sistema di controllo sia già stato ottimizzato per poter controllare opportunamente ladinamica del sistema.

-c-2.2 : Sviluppo di sospensioni per l’ultimo stadio:

La realizzazione di sospensioni monolitiche (in silice fusa, FS) come attività di R&D è statafinanziata dalla seconda Commissione scientifica Nazionale negli ultimi 2 anni. Il lavoro sin qui svolto (dallaSezione di Perugia) ha permesso di giungere alla definizione di un nuovo sistema di sospensioni in grado disostituire quello con i fili di acciaio, che rappresentava la soluzione standard di Virgo. I risultati scientificisono stati ottimi, consentendo di individuare un materiale (la silice fusa, appunto) con minor angolo di attritointerno e con maggior valore del carico di rottura rispetto agli altri standard (vari tipi di acciaio“invecchiato”). Inoltre è stata sviluppata l’opportuna tecnologia per affrontare il problema del bloccaggio deifili e lo studio del creep. Tuttavia, perchè la tecnologia sia completamente matura, è ancora necessariocondurre una parte finale di R&D nel 2002 sulle tecniche di "silicate bonding", l’incollaggio chimicostudiato per la saldatura dei fili sul supporto dello specchio.

Il lavoro futuro su questo settore può considerarsi come articolabile in 2 sottosettori:

1) Completamento dello studio di sospensioni in FS :La tecnica di produzione deve essere ottimizzata durante tutto il 2002, in particolare l’incollaggio

tramite il silicate bonding. A tale riguardo si prevede la realizzazione di una facility per la misura dellaqualità dell'incollaggio tramite metodi ottici: riflessione e rifrazione di luce laser e misure di birifrangenza.

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Nel 2003 si passerebbe a studiare una tecnica per meglio caratterizzare e ridurre i problemi diinvecchiamento e cracks superficiali. Una possibilità è quella di studiare gli effetti di coating con materialiestremamente duri (leggi diamante) dei fili di sospensione (possibile collaborazione con Lione).

2) Studio di nuovi materiali per i fili di sospensione (sospensionimonocristalline con dimensionalità micrometrica a basso rumore termico) :

Gli ottimi risultati ottenuti con fili in silice fusa fanno ritenere che la strada intrapresa possa essereulteriormente portata avanti positivamente, osservando che vi sono in particolare tre punti limitanti:

- la realizzazione di fibre in FS a geometria monolitica aventi caratteristiche (diametro, angolo dirastremazione) controllate con elevata precisione

- il controllo della purezza e della qualità superficiale delle fibre in FS- il controllo delle caratteristiche di invecchiamento e fatica delle fibre in FS

Tali punti possono essere affrontati con un nuovo approccio nella realizzazione e scelta dei fili disospensione, mirando cioè allo sviluppo di fibre monocristalline di semiconduttori ed isolanti. Lo sviluppo difibre monocristalline offre il vantaggio, rispetto ai cristalli bulk della stessa specie chimica, sia di ottenerestrutture a basso numero di dislocazioni e microdifetti, sia di poter investigare nuovi tipi di materiali perapplicazioni meccaniche e micromeccaniche a costi ridotti. La produzione di fibre sia di materiali puri, sia dimateriali opportunamente drogati con ioni trivalenti di terre rare, si baserà sulla tecnica (sviluppataall’Università di Pisa) del “micro pulling down” in cui in un crogiuolo di Iridio (5-50 cm3), riscaldatoinduttivamente, si procede alla fusione con completa omogeneizzazione delle sostanze chimiche; la sostanzafusa scende attraverso un foro capillare e, con un’asta alla cui sommità è posto un cristallo orientato chefunge da seme, si provvede al tiraggio della fibra. Alla completa caratterizzazione strutturale espettroscopica, farà seguito lo studio delle caratteristiche meccaniche e termoelastiche (con le facilities e lestrategie già sviluppate in Perugia). Si prevede la crescita delle seguenti fibre:

- Y3Al5O12 (YAG) come benchmark per mettere a punto il sistema;- Ca3Nb2Ga3O12 (CNGG) e di NaLa(WO4)2 (NLW), pure ed eventualmente drogate con Yb3+

- fibre di silicioInfine, considerando che la temperatura gioca un ruolo fondamentale, si agirà sulla temperatura

“puntuale” (riferita cioè ai punti di piegatura del filo che risultano essere i più critici per i fenomenidissipativi), provvedendo al raffreddamento locale mediante la tecnica del pompaggio ottico su materialeopportunamente drogato.

-c-2.3 : Studio di nuovi materiali per il substrato delle ottiche – Realizzazione e test di sospensione fredda:

Lo scopo è quello di ridurre il rumore termico tramite l’uso di tecniche criogeniche, scegliendo per isubstrati degli specchi particolari materiali. La Sezione di Roma, in collaborazione con il KEK di Tsukubae l’ICRR di Tokyo ha intrapreso uno studio preliminare per il raffreddamento degli specchidell’interferometro. Allo stato attuale l’attenzione è rivolta allo studio delle proprietà meccano-ottiche di uninteressante materiale, il CaF2.; su questo materiale sono in corso misure presso la Sezione di Perugia.

-c-2.4 : Monitoraggio e implementazione di un sistema di veto dell’attività di emissione acustica:

Una collaborazione tra l’Istituto di Acustica del CNR e le Sezioni di Roma1 e di Pisa si è giàdedicata a studi sull’emissione acustica delle lame dei super attenuatori di VIRGO. Questa attività di R&D èstata finanziata nell’ambito della quinta Commissione scientifica Nazionale (progetto AEA). E’ stataevidenziata l’esistenza di impulsi ultra acustici associati al moto di dislocazioni nel materiale metallicosottoposto a stress. Si propone quindi di mettere a punto una rete di sensori ultra acustici, principalmenteconcentrati nella parte bassa del super attenuatore, tali da consentire la localizzazione dell’impulso.

-c-2.5 : Sviluppo di sensori accelerometrici (e relativa meccanica ed elettronica di feed-back):

Il tilt del terreno genera uno spostamento del punto di sospensione della catena di filtri; talemovimento non può essere smorzato dal damping inerziale sul filtro zero, per cui si rende necessario agire inuna delle seguenti direzioni: si riduce il tilt sismico alla base del pendolo invertito con un feed-back basatosu accelerometri rotazionali e attuatori piezoelettrici; oppure si smorzano i modi della catena non soppressidal damping inerziale senza ridurre ulteriormente l'rms sul top stage. Un isolamento attivo sul primo filtro,basato su accelerometri e attuatori bobina-magnete, sembra essere la scelta migliore. Nelle Sezioni di Pisa eFirenze/Urbino sono già avviati studi per sviluppare nuovi accelerometri ultra-sensibili sia traslazionali che

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rotazionali. Simultaneamente si stanno indagando sviluppi meccanici per innalzare le frequenze proprie dellegambe del pendolo invertito, i cui valori incidono sulla limitazione del guadagno del damping del top-stage.

Per quanto concerne l’elettronica di controllo, i Digital Signal Processing attuali stanno lavorando apiù del 50% della loro potenza di calcolo. Nuove schede DSP più veloci (200 MHz) sono necessarieperridurre il carico di lavoro nel sistema di controllo attuale, dovrebbero consentire l’implementazione ditecniche adattive per il monitoraggio delle frequenze delle sospensioni e la modifica in tempo reale dei filtridi controllo. Nuove schede ADC a processori paralleli (attualmente in fase di sviluppo) sono poi necessarieper ridurre il rumore elettronico 1/f.

-c-2.6 : Miglioramento dell’accoppiamento del fascio laser mediante tecniche basate su ottica adattiva:

Le fluttuazioni geometriche del fascio di ingresso sono tra i rumori che possono limitare la sensibilitàdell’interferometro: l'accoppiamento di queste fluttuazioni con le asimmetrie geometriche dell'apparatoproduce uno sfasamento tra i due fasci dell'interferometro indistinguibile dal segnale gravitazionale. Lariduzione di tale sfasamento spurio può avvenire in due modi: o con la riduzione diretta delle fluttuazionigeometriche del fascio d’ingresso; o con la riduzione delle asimmetrie dell'interferometro. Per la riduzionedelle fluttuazioni geometriche del fascio laser di ingresso si è utilizzata le proprietà di filtraggio delle cavitàFabry-Perot in trasmissione (previa “pulizia” con il mode cleaner di ingresso). Per quanto concerne invece lariduzione delle asimmetrie dell'interferometro, va osservato che maggiore è la riduzione delle fluttuazioni dellaser, meno stringenti diventano i limiti imposti alle possibili imperfezioni dell'interferometro. Attualmentenon sono ancora state misurate le fluttuazioni in uscita dal mode cleaner: i valori tipici attesi conducono aporre un limite al disallineamento degli specchi di Virgo di 10-9 rad. E' questo un valore che imponecondizioni molto stringenti alle reti di reazione e di controllo angolari.

Un' ulteriore possibilità è fornita dalla riduzione "attiva" delle fluttuazioni geometriche: la tecnicaviene più propriamente definita "adattiva" perché utilizza, come attuatori della correzione della geometria delfascio, specchi che modificano la forma della loro superficie, annullando la deformazione del fascio riflesso.

Si propone pertanto di realizzare un apparato Bench-Top che sperimentalmente dimostri la fattibilitàdella reazione adattiva e che possa essere facilmente integrato nel sistema d’iniezione del fascio di Virgo,immediatamente a monte del mode-cleaner. A tal fine sarà utilizzabile l’Adaptive Optics Facility dellaboratorio Virgo della Sezione di Napoli, adattabile all’esperimento con le opportune migliorie.

-c-2.7 : Riduzione del fattore di accoppiamento di campi magnetici esterni introdotti attraverso il sistema dicontrollo di VIRGO:

Il controllo degli specchi ai fini del locking è uno dei problemi più delicati nell’ambito dellarealizzazione di Virgo, ponendo problemi di robustezza e di stabilità molto stringenti dal punto di vista dellaTeoria dei Controlli. Inoltre, tenendo presente che in Virgo gli attuatori sono costituiti da coppie bobina-magnete, tale controllo risulta strutturalmente molto sensibile all’accoppiamento con sorgenti di rumoreambientale, quali quelle elettromagnetiche.

Un modo per rendere il sistema di controllo più semplice ed efficace consiste nella sostituzione delsistema di attuatori bobina-magnete con un sistema di attuatori elettrostatici . Essi consentirebbero non solodi essere meno sensibili alle perturbazioni ambientali esterne, in particolare quelle elettromagnetiche, madarebbero la possibilità di controllare lo specchio direttamente dalla massa di riferimento, semplificando ilsistema di controllo, aumentandone la robustezza e migliorandone le performances. Infatti tali attuatori nonsarebbero posti a contatto con lo specchio: non ci sarebbe pertanto alcun degrado del Q dello specchio e, diconseguenza, alcun aumento di rumore termico.

Si propone pertanto di realizzare un prototipo (un Michelson sospeso) per il test di attuatorielettrostatici. A tal fine si utilizzerebbe la facility costituita dall’interferometro di 3 m, controllatodigitalmente, presente nel laboratorio Virgo della Sezione di Napoli, che potrebbe essere adattato allo scopo.

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Riferimenti essenziali:

- The VIRGO Project (proposal) – 1990 (agli Atti INFN)- Virgo Final Design Report - VIR -TRE -1000 - 13 (1997)- Virgo Computing Panel Recommendation - Documento prodotto dal Panel Consultivo per l’EGO Council (2001)- [1] P. Astone et al.: Class.Quantum Grav., 11 , 2093-2112 (1994)- [2] F. Bellachia et al.:VIR - MAN - LAP - 5400 - 110 (2000)- [3] P. Canitrot et al.: VIR - NOT- PIS -1390 - 149 (2000)- [4] S. Frasca: Hierarchical Search for Periodic Sources – MGM, Rome (2000) in press

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