{{{sourceTextContent.title}}}

Aislamiento de Vibraciones de Rigidez Negativa Ayuda al Laboratorio del Polo Sur de Princeton

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

El Grupo Romalis de la Universidad de Princeton estableció un laboratorio de campo en el Polo Sur con un co-magnetómetro de espín atómico ultra preciso equipado con aislamiento de vibración de rigidez negativa para aislar las vibraciones de los componentes más sensibles.

{{{sourceTextContent.description}}}

La invariancia o simetría de Lorentz, un conjunto de marcos fundamentales que apuntalan la ciencia moderna y la física en particular, se encuentra en la base de la teoría del campo cuántico (QFT) y la teoría de la relatividad general de Einstein, las dos teorías más exitosas de la física, que juntas describen las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. En física, particularmente en el electromagnetismo, la fuerza de Lorentz es la combinación de fuerza eléctrica y magnética en una carga puntual debida a campos electromagnéticos. Mientras que las ecuaciones modernas de Maxwellian demuestran cómo las partículas y corrientes cargadas eléctricamente, o partículas cargadas en movimiento, dan lugar a campos eléctricos y magnéticos, la ley de fuerza de Lorentz completa esa imagen describiendo la fuerza que actúa sobre una carga puntual en movimiento en presencia de campos electromagnéticos.

La incapacidad de incorporar la gravedad, sin embargo, como se describe por la relatividad general en el modelo estándar QFT de la física de partículas -que combina con gran éxito las interacciones electromagnética, fuerte y débil- ha llevado al desarrollo de teorías alternativas de la gravedad cuántica. Dado que muchas de estas teorías rompen la simetría de Lorentz a algún nivel, las búsquedas experimentales de los efectos violentos de Lorentz podrían ayudar a arrojar luz sobre la nueva física más allá del modelo estándar, y proporcionar pistas sobre la naturaleza de la gravedad cuántica. Las violaciones de Lorentz se refieren a las predicciones fundamentales de la relatividad restringida, como el principio de relatividad, la constancia de la velocidad de la luz en todos los marcos de referencia inerciales y la dilatación temporal, así como las predicciones del modelo estándar de la física de partículas.

PRUEBA DE SIMETRÍA DE LORENTZ ULTRA PRECISA DE PRINCETON

Algunas de las pruebas más precisas relacionadas con la simetría de Lorentz están siendo realizadas por el Grupo Romalis de la Universidad de Princeton.

"La simetría de Lorentz subyace en todas las fuerzas conocidas de la naturaleza, proporcionando uno de los pocos vínculos entre la gravedad y la mecánica cuántica", dijo el Dr. Michael Romalis, Profesor de Física y jefe del Grupo Romalis en la Universidad de Princeton. "Postula que las leyes de la física son invariantes bajo rotación, y permanecen iguales en un marco de referencia en movimiento. La simetría de Lorentz también está estrechamente relacionada con la simetría de inversión de tiempo de carga (CPT) que refuerza la equivalencia de partículas y antipartículas"

"Utilizamos técnicas de ultra-alta precisión que involucran espín atómico polarizado para probar la simetría de Lorentz", agregó Romalis. "La presencia de la violación de Lorentz aparecería como un campo efectivo sentido por los átomos. Presumiblemente, este campo actúa como un fondo cósmicamente fijo que, desde el punto de vista de nuestro experimento ligado a la Tierra, fluctúa con un período sideral a medida que la Tierra gira en él"

Un co-magnetómetro de gas noble de metal alcalino, encerrado dentro de una cámara de vacío, se utiliza en el experimento del grupo para medir muy sensiblemente los campos que se acoplan al espín atómico, mientras que suprime las interacciones del campo magnético. Un co-magnetómetro de espín atómico consiste en dos especies de espín que ocupan el mismo volumen y miden el mismo campo magnético. Estas mediciones redundantes pueden permitir cancelar las fluctuaciones del campo magnético y centrarse en interacciones más interesantes que van más allá del Modelo Estándar de la física de partículas.

ANULANDO LOS EFECTOS DE LA ROTACIÓN DE LA TIERRA EN EL POLO SUR

Límites muy estrictos en la rotación y en la violación de Lorentz ya han sido determinados usando mediciones realizadas en Princeton. Sin embargo, un efecto sistemático significativo que limitaba las mejoras adicionales fue la captación giroscópica de la rotación de la Tierra, lo que creó una dirección preferida en su laboratorio de Nueva Jersey. La señal efectiva medida por los átomos era más de 10.000 veces mayor que el límite de violación medido por Lorentz.

Para superar este efecto sistemático, el Grupo Romalis trasladó sus aparatos a las instalaciones de Cryo en la estación del Polo Sur de Amundsen-Scott en enero de 2013. Aquí, los efectos de la rotación de la Tierra se suprimen casi por completo, al tiempo que se mejora la precisión de la prueba en dos órdenes de magnitud.

"Los átomos polarizados en el co-magnetómetro son extremadamente sensibles a las rotaciones", continuó Romalis. "En Princeton, recibimos una gran señal de fondo debido a la rotación de la Tierra. En el Polo Sur, podemos eliminar casi completamente esa señal. El Polo Sur proporciona la ubicación más simétrica de la Tierra para buscar los efectos de la anisotropía cósmica. En Princeton, la señal de la Tierra es 2,6 PT-10.000 veces mayor que el límite actual de violación de Lorentz. Localizado a 230 metros del Polo Sur geográfico, la señal de la Tierra es menos de 0.1 PT, 26,000 veces menor que la señal de Princeton"

(PT-Transversal Momentum - el momento de un objeto transversal al eje del haz.)

NECESIDAD DE AISLAMIENTO DE VIBRACIONES

El co-magnetómetro de espín atómico del Grupo Romalis, utilizado tanto en la Universidad de Princeton en Nueva Jersey como en su laboratorio del Polo Sur, es uno de los dispositivos más sensibles para probar la simetría de Lorentz. En consecuencia, se requiere un aislamiento de vibraciones de precisión para aislar las vibraciones de sus componentes sensibles, no sólo para el co-magnetómetro, sino también para los láseres asociados al sistema y las alineaciones ópticas.

Vibraciones en el rango de pocos hercios (Hz) a unos pocos 10 Hz influirán en la prueba. Estas influencias internas y externas causan principalmente vibraciones de baja frecuencia que se transmiten a través de la estructura, creando fuertes perturbaciones en los equipos sensibles.

La vibración dentro de este rango puede ser causada por una multitud de factores. Todas las estructuras transmiten ruido. Dentro del propio edificio, el sistema de calefacción y ventilación, los ventiladores, las bombas y los ascensores son sólo algunos de los dispositivos mecánicos que crean vibraciones. Dependiendo de cuán lejos se encuentre el equipo de estas fuentes de vibración, y en qué parte de la estructura se encuentra el equipo, ya sea en el tercer piso o en el sótano, por ejemplo, se determinará cuán fuertemente se verá influenciada la instrumentación.

En el exterior del edificio, las pruebas pueden verse influenciadas por las vibraciones del movimiento del vehículo, la construcción cercana, el ruido de la aeronave, e incluso el viento y otras condiciones meteorológicas pueden provocar el movimiento de la estructura.

COMPATIBLE CON VACÍO, AISLAMIENTO DE VIBRACIONES DE RIGIDEZ NEGATIVA

El Grupo Romalis seleccionó un aislador de vibración de rigidez negativa, personalizado para ser sólo ligeramente magnético, para su prueba de simetría de Lorentz, tanto en la Universidad de Princeton como en el Polo Sur.

"Un factor clave fue su capacidad para aislar las vibraciones dentro de una cámara de vacío, que alberga el co-magnetómetro", explicó Romalis. "Las mesas de aire no pueden aislar las vibraciones dentro del vacío."

Aparte del requisito de vacío, los sistemas de aire son generalmente una configuración menos que óptima para cancelar las vibraciones de baja frecuencia. Logran cierto aislamiento, generalmente en una dimensión (vertical), y proporcionan un aislamiento horizontal limitado. Pero no aíslan en la medida en que es necesario a frecuencias de resonancia muy bajas, las perturbaciones de ciclo bajo suelen llegar directamente al equipo.

Desarrollados y patentados por Minus K Technology, los aisladores de rigidez negativa proporcionan una capacidad única, empleando un concepto completamente mecánico en el aislamiento de vibraciones de baja frecuencia, sin necesidad de aire o electricidad.

Lo que es muy ventajoso de los aisladores de rigidez negativa es que logran un alto nivel de aislamiento en múltiples direcciones. Los aisladores de rigidez negativa tienen la flexibilidad de adaptar las frecuencias de resonancia a 0,5 Hz* vertical y horizontalmente (en algunas versiones a 1,5 Hz horizontalmente).

(*Nota: Para un sistema de aislamiento con una frecuencia natural de 0,5 Hz, el aislamiento comienza a 0,7 Hz y mejora con el aumento de la frecuencia de vibración. La frecuencia natural se utiliza más comúnmente para describir el rendimiento del sistema.)

El aislamiento de movimiento vertical es proporcionado por un resorte rígido que soporta una carga de peso, combinado con un mecanismo de rigidez negativa. La rigidez vertical de la red es muy baja sin afectar la capacidad de soporte de carga estática del resorte. Las columnas de viga conectadas en serie con el aislador de movimiento vertical proporcionan aislamiento de movimiento horizontal. Una viga-columna se comporta como un resorte combinado con un mecanismo de rigidez negativa.

TRANSMISIBILIDAD DE LA VIBRACIÓN

La transmisibilidad de la vibración es una medida de las vibraciones que se transmiten a través del aislador en relación con las vibraciones de entrada. Los aisladores de rigidez negativa, cuando se ajustan a 0.5 Hz, logran aproximadamente 93 por ciento de eficiencia de aislamiento a 2 Hz; 99 por ciento a 5 Hz; y 99.7 por ciento a 10 Hz. Los aisladores de rigidez negativa ofrecen un rendimiento muy alto, medido por una curva de transmisibilidad.

Los aisladores de rigidez negativa resuenan a 0,5 Hz. A esta frecuencia casi no hay energía presente. Sería muy inusual encontrar una vibración significativa a 0.5 Hz. Las vibraciones con frecuencias superiores a 0,7 Hz (donde los aisladores de rigidez negativa comienzan a aislarse) se atenúan rápidamente con aumentos de frecuencia.

FLEXIBILIDAD DEL POLO SUR

Los aisladores de rigidez negativa no requieren electricidad ni aire comprimido. No hay motores, bombas ni cámaras, ni mantenimiento porque no hay nada que desgastar. Funcionan puramente en modo mecánico pasivo.

Si el equipo puede ser aislado de las vibraciones sin tener que tratar con aire comprimido o electricidad, entonces hace que el sistema sea más fácil de transportar, y más fácil de instalar y mantener. Tal fue el caso de la prueba de simetría Lorentz del Grupo Romalis en la estación de Amundsen-Scott, en el Polo Sur.

"El aislador de rigidez negativa proporcionó la flexibilidad para ser transportado fácilmente con nuestro co-magnetómetro de gas noble de metal alcalino desde nuestro laboratorio de Princeton en Nueva Jersey hasta el Polo Sur", agregó Romalis. "No tuvimos que hacer ajustes en la energía eléctrica y en las bombas para soportar el aislamiento de vibraciones."

{{medias[108579].title}}

{{medias[108579].description}}

{{medias[108581].title}}

{{medias[108581].description}}

{{medias[108583].title}}

{{medias[108583].description}}

{{medias[108587].title}}

{{medias[108587].description}}

{{medias[108589].title}}

{{medias[108589].description}}

{{medias[108591].title}}

{{medias[108591].description}}

{{medias[108593].title}}

{{medias[108593].description}}