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

De zoektocht naar zwaartekrachtgolven is een quest om de zwakste fluisteringen van het universum te horen, rimpelingen in de ruimtetijd veroorzaakt door cataclysmische gebeurtenissen zoals botsende zwarte gaten. Om deze signalen op te vangen, bouwen wetenschappers instrumenten van extreme gevoeligheid, waarbij gebruik wordt gemaakt van lasers die heen en weer reizen over afstanden van tien kilometer binnen vacuümbuizen. Het doel is om veranderingen in afstand te meten die kleiner zijn dan een fractie van de breedte van een atoom. Deze delicate machines worden echter gemakkelijk verstoord door strooilicht. Als een enkele foton van de laserstraal een stofje of een ruw plekje op een spiegel raakt, kan deze verstrooien, van een trillende wand afkaatsen en weer in de hoofdstraal terechtkomen. Dit terugkerende licht draagt een vervormde versie van de trilling met zich mee die het is tegengekomen, wat een ruis creëert die de kosmische signalen die wetenschappers proberen te detecteren, kan overstemmen. Voor de volgende generatie van deze detectoren, bekend als de Einstein Telescoop, moeten onderzoekers ervoor zorgen dat elk oppervlak binnen de vacuümbuizen perfect schoon is, omdat zelfs de kleinste imperfectie de stem van het universum zou kunnen overstemmen.

Een team van natuurkundigen heeft nu de aandacht gericht op een specifieke bron van dit probleem: stofdeeltjes die neerslaan op de kegelvormige schilden, of baffles, die de binnenkant van de vacuümbuizen bekleden. Deze baffles zijn ontworpen om strooilicht van de hoofdspiegels op te vangen voordat het de ruwe wanden van de buis raakt, maar de baffles zelf kunnen een probleem vormen als ze vuil zijn. De onderzoekers zetten zich in om te begrijpen hoe licht verstrooit wanneer het een stofdeeltje raakt dat op een reflecterend oppervlak ligt, en om te bepalen hoe schoon de installatieomgeving moet zijn om de ruis laag genoeg te houden. Ze richtten zich op deeltjes variërend van één tiende van een micrometer tot driehonderd micrometer in diameter, wat de grootte beslaat van fijne rook tot een korrel zand.

Met behulp van computersimulaties gebaseerd op de fysica van lichtverstrooiing, modelleerde het team hoe licht zich gedraagt wanneer het deze deeltjes raakt. Ze ontdekten dat de hoeveelheid ruis die wordt gegenereerd sterk afhangt van de grootte van het deeltje en waarvan het gemaakt is. Kleine deeltjes, die veel kleiner zijn dan de golflengte van het laserlicht, verstrooien zeer weinig. Grotere deeltjes kunnen echter licht veel efficiënter verstrooien, vooral als ze gemaakt zijn van materialen die licht goed reflecteren en er weinig van absorberen. De onderzoekers ontdekten dat het gevaarlijkste stof waarschijnlijk zou bestaan uit materialen zoals glas- of mineraalstof, die veel voorkomen in bouw- en laboratoriumomgevingen. Ze ontdekten ook dat het vormpatroon van de verstrooiing verandert afhankelijk van de vraag of het licht in de ene of de andere richting gepolariseerd is, maar voor het vaststellen van veiligheidslimieten richtten zij zich op de worst-case scenario's waar de verstrooiing het sterkst is.

De studie paste deze bevindingen vervolgens toe op het specifieke ontwerp van de Einstein Telescoop. Het team berekende het maximale aantal stofdeeltjes dat toegestaan is op elke baffle om te garanderen dat de ruis die zij creëren niet groter is dan de ruis die wordt geproduceerd door het materiaal van de baffle zelf. Ze stelden vast dat als de baffles van een materiaal zijn dat licht sterk reflecteert, de toegestane dichtheid van stof extreem laag is. Bijvoorbeeld, als het oppervlak zeer reflecterend is, kan de aanwezigheid van zelfs een paar grote deeltjes aanzienlijke ruis veroorzaken. De onderzoekers concludeerden dat om aan deze strikte limieten te voldoen, de assemblage van de vacuümbuizen moet plaatsvinden in een omgeving met een zeer hoog niveau van reinheid, wat waarschijnlijk een gecontroleerde cleanroom vereist. Ze gaven specifieke richtlijnen voor de toegestane dichtheid van deeltjes op de oppervlakken, waarbij zij suggereerden dat voor de meest gevoelige delen van de detector de lucht vrijwel vrij van stof moet zijn dat groter is dan enkele micrometers.

Het artikel behandelde ook de onzekerheid met betrekking tot de exacte materialen die als stof in de telescoop terecht zouden kunnen komen. Aangezien de definitieve locatie van de detector nog niet is gekozen, en het stof afkomstig kan zijn van de tunnelwinning, het bouwproces of de hantering van componenten, hebben de onderzoekers een breed scala aan mogbare materialen getest. Ze simuleerden alles van typisch omgevingsstof tot menselijke huidcellen en aluminium. Hun resultaten toonden aan dat hoewel de exacte samenstelling ertoe doet, de algemene regel hetzelfde blijft: grotere deeltjes zijn de primaire zorg, en hun aanwezigheid moet worden geminimaliseerd, ongeacht waarvan ze gemaakt zijn. De studie vond geen enkele magische oplossing voor het probleem, maar bood eerder een duidelijke set regels voor hoe schoon de omgeving moet zijn. Door deze limieten vast te stellen, heeft het team ingenieurs een concreet doel gegeven voor de constructie en assemblage van de Einstein Telescoop, om ervoor te zorgen dat de machine stil genoeg zal zijn om naar het universum te luisteren zonder dat deze wordt overstemd door zijn eigen stof.