Scattered light noise due to dust particles contamination in the vacuum pipes of the Einstein Telescope

La ricerca delle onde gravitazionali è una ricerca per ascoltare i sussurri più deboli dell'universo, increspature nello spaziotempo causate da eventi cataclismatici come la collisione di buchi neri. Per catturare questi segnali, gli scienziati costruiscono strumenti di estrema sensibilità, utilizzando laser che viaggiano avanti e indietro su distanze di dieci chilometri all'interno di tubi sottovuoto. L'obiettivo è misurare variazioni di distanza inferiori a una frazione della larghezza di un atomo. Tuttavia, queste macchine delicate sono facilmente disturbate dalla luce dispersa. Se un singolo fotone del raggio laser colpisce un granello di polvere o una zona ruvida di uno specchio, può disperdersi, rimbalzare su una parete vibrante e rientrare nel fascio principale. Questa luce rientrante trasporta una versione distorta della vibrazione incontrata, creando un rumore che può mascherare i segnali cosmici che gli scienziati cercano di rilevare. Per la prossima generazione di questi rilevatori, noti come l'Einstein Telescope, i ricercatori devono garantire che ogni superficie all'interno dei tubi sottovuoto sia perfettamente pulita, perché anche la minima imperfezione potrebbe sommergere la voce dell'universo.

Un team di fisici ha ora rivolto la propria attenzione a una fonte specifica di questo problema: particelle di polvere che si depositano sugli scudi conici, o deflettori, che rivestono l'interno dei tubi sottovuoto. Questi deflettori sono progettati per intercettare la luce dispersa dal raggio principale prima che colpisca le pareti ruvide del tubo, ma i deflettori stessi possono diventare un problema se sono sporchi. I ricercatori si sono posti l'obiettivo di capire come la luce si disperda quando colpisce una particella di polvere situata su una superficie riflettente, e di determinare quanto debba essere pulito l'ambiente di installazione per mantenere il rumore abbastanza basso. Si sono concentrati su particelle con diametri compresi tra un decimo di micrometro e trecento micrometri, coprendo dimensioni che vanno dal fumo sottile a un granello di sabbia.

Utilizzando simulazioni al computer basate sulla fisica dello scattering della luce, il team ha modellato il comportamento della luce quando colpisce queste particelle. Hanno scoperto che la quantità di rumore generata dipende fortemente dalle dimensioni della particella e dal materiale di cui è composta. Le particelle piccole, molto più piccole della lunghezza d'onda della luce laser, disperdono pochissimo. Tuttavia, le particelle più grandi possono disperdere la luce molto più efficacementamente, specialmente se sono composte da materiali che riflettono bene la luce e ne assorbono pochissima. I ricercatori hanno scoperto che la polvere più pericolosa sarebbe probabilmente composta da materiali come vetro o polvere minerale, comuni negli ambienti di costruzione e di laboratorio. Hanno anche scoperto che la forma del pattern di diffusione cambia a seconda che la luce sia polarizzata in una direzione o in un'altra, ma ai fini della definizione dei limiti di sicurezza, si sono concentrati sugli scenari peggiori in cui lo scattering è più forte.

Lo studio ha poi applicato queste scoperte alla progettazione specifica dell'Einstein Telescope. Il team ha calcolato il numero massimo di particelle di polvere consentite su ogni deflettore per garantire che il rumore da esse generato non superi il rumore prodotto dal materiale del deflettore stesso. Hanno determinato che se i deflettori sono realizzati con un materiale che riflette fortemente la luce, la densità di polvere ammissibile è estremamente bassa. Ad esempio, se la superficie è altamente riflettente, la presenza di anche solo poche particelle grandi può creare un rumore significativo. I ricercatori hanno concluso che, per rispettare questi limiti rigorosi, l'assemblaggio dei tubi sottovuoto deve avvenire in un ambiente con un livello di pulizia molto elevato, richiedendo probabilmente una camera bianca controllata. Hanno fornito linee guida specifiche per la densità di particelle consentite sulle superfici, suggerendo che, per le parti più sensibili del rilevatore, l'aria debba essere virtualmente priva di polvere più grande di alcuni micrometri.

Il documento ha inoltre affrontato l'incertezza riguardante l'esatta composizione dei materiali che potrebbero finire come polvere all'interno del telescopio. Poiché la posizione finale del rilevatore non è stata ancora scelta, e la polvere potrebbe provenire dallo scavo del tunnel, dal processo di costruzione o dalla manipolazione dei componenti, i ricercatori hanno testato una vasta gamma di materiali possibili. Hanno simulato tutto, dalla tipica polvere ambientale alle cellule morte della pelle umana e all'alluminio. I loro risultati hanno mostrato che, sebbene la composizione esatta sia importante, la regola generale rimane la stessa: le particelle più grandi sono la preoccupazione primaria e la loro presenza deve essere minimizzata indipendentemente da ciò di cui sono composte. Lo studio non ha trovato una singola soluzione magica al problema, ma ha fornito piuttosto un insieme chiaro di regole su quanto debba essere pulito l'ambiente. Stabilendo questi limiti, il team ha fornito agli ingegneri un obiettivo concreto per la costruzione e l'assemblaggio dell'Einstein Telescope, assicurando che la macchina sarà abbastanza silenziosa da ascoltare l'universo senza essere sovrastata dalla propria polvere.