{{{sourceTextContent.title}}}

Negative Steifigkeit Schwingungsisolierung unterstützt Princeton's South Pole Lab

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

Die Romalis-Gruppe der Princeton University richtete ein Feldlabor am Südpol mit einem hochpräzisen Atomspin-Co-Magnetometer ein, das mit einer Negativ-Steifigkeits-Schwingungsisolierung ausgestattet ist, um Vibrationen von den empfindlicheren Komponenten zu isolieren.

{{{sourceTextContent.description}}}

Die Lorentz-Invarianz oder -Symmetrie, eine Reihe von grundlegenden Rahmenwerken, die der modernen Wissenschaft und insbesondere der Physik zugrunde liegen, liegt auf der Grundlage der Quantenfeldtheorie (QFT) und Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie, den beiden erfolgreichsten Theorien der Physik, die zusammen die vier Grundkräfte der Natur beschreiben. In der Physik, insbesondere im Bereich des Elektromagnetismus, ist die Lorentz-Kraft die Kombination von elektrischer und magnetischer Kraft auf eine Punktladung aufgrund elektromagnetischer Felder. Während moderne Maxwellsche Gleichungen zeigen, wie elektrisch geladene Teilchen und Ströme oder sich bewegende geladene Teilchen elektrische und magnetische Felder erzeugen, vervollständigt das Lorentz-Kraftgesetz dieses Bild, indem es die Kraft beschreibt, die auf eine bewegliche Punktladung in Gegenwart elektromagnetischer Felder wirkt.

Die Unfähigkeit, die Schwerkraft jedoch zu integrieren, wie sie durch die allgemeine Relativitätstheorie in das QFT-Standardmodell der Teilchenphysik beschrieben wird - das die elektromagnetischen, starken und schwachen Wechselwirkungen sehr erfolgreich kombiniert - hat zur Entwicklung alternativer Theorien der Quantengravitation geführt. Da viele dieser Theorien die Lorentz-Symmetrie auf einer kleinen Ebene brechen, könnte die experimentelle Suche nach Lorentz-verletzenden Effekten helfen, Licht in die neue Physik jenseits des Standardmodells zu bringen und Hinweise auf die Natur der Quantengravitation zu geben. Lorentz-Verletzungen betreffen die grundlegenden Vorhersagen der Speziellen Relativitätstheorie, wie das Prinzip der Relativitätstheorie, die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit in allen Trägheitsrahmen und die Zeitdilatation, sowie die Vorhersagen des Standardmodells der Teilchenphysik.

PRINCETON'S ULTRAPRÄZISE LORENTZ-SYMMETRIEPRÜFUNG

Einige der präzisesten Tests zur Lorentz-Symmetrie werden von der Romalis-Gruppe an der Princeton University durchgeführt.

"Die Lorentz-Symmetrie liegt allen bekannten Naturkräften zugrunde und ist eine der wenigen Verbindungen zwischen Schwerkraft und Quantenmechanik", sagt Dr. Michael Romalis, Professor für Physik und Leiter der Romalis-Gruppe an der Princeton University. "Es postuliert, dass die Gesetze der Physik unter Rotation invariant sind und in einem sich bewegenden Bezugssystem gleich bleiben. Die Lorentz-Symmetrie ist auch eng mit der Charge-Parity-Time (CPT) Umkehrsymmetrie verbunden, die die Gleichwertigkeit von Partikeln und Antiteilchen erzwingt."

"Wir verwenden ultrahochpräzise Techniken mit polarisiertem Atomspin, um die Lorentz-Symmetrie zu testen", fügte Romalis hinzu. "Das Vorhandensein einer Lorentz-Verletzung erscheint als ein effektives Feld, das von den Atomen wahrgenommen wird. Vermutlich fungiert dieses Feld als kosmisch fixierter Hintergrund, der aus Sicht unseres erdgebundenen Experiments mit einer siderischen Periode schwankt, wenn sich die Erde in ihr dreht."

Ein in einer Vakuumkammer eingeschlossenes Alkalimetall-Edelgas-Co-Magnetometer wird im Experiment der Gruppe verwendet, um sehr empfindliche Felder zu messen, die an Atomspin koppeln, während Magnetfeldwechselwirkungen unterdrückt werden. Ein Atomspin-Co-Magnetometer besteht aus zwei Spinspezies, die das gleiche Volumen einnehmen und das gleiche Magnetfeld messen. Solche redundanten Messungen können es ermöglichen, Magnetfeldschwankungen aufzuheben und sich auf interessantere Wechselwirkungen zu konzentrieren, die über das Standardmodell der Teilchenphysik hinausgehen.

DIE AUSWIRKUNGEN DER ERDROTATION AM SÜDPOL ZU BESEITIGEN

Sehr strenge Grenzwerte für die Rotation und Verstärkung der Lorentz-Verletzung wurden bereits durch Messungen in Princeton ermittelt. Ein wesentlicher systematischer Effekt, der weitere Verbesserungen einschränkte, war jedoch die gyroskopische Aufnahme der Erdrotation, die in ihrem Labor in New Jersey eine bevorzugte Richtung vorgab. Das von den Atomen gemessene Effektivsignal war mehr als 10.000 mal größer als die gemessene Lorentz-Überschreitungsgrenze.

Um diesen systematischen Effekt zu überwinden, hat die Romalis-Gruppe ihr Gerät im Januar 2013 in die Cryo-Anlage an der Südpolstation Amundsen-Scott verlegt. Hier werden die Auswirkungen der Erdrotation nahezu vollständig unterdrückt und die Genauigkeit des Tests um zwei Größenordnungen verbessert.

"Polarisierte Atome im Co-Magnetometer sind extrem drehempfindlich", so Romalis weiter. "In Princeton empfangen wir ein großes Hintergrundsignal aufgrund der Erdrotation. Am Südpol können wir dieses Signal fast vollständig eliminieren. Der Südpol bietet die symmetrischste Position auf der Erde, um nach den Auswirkungen der kosmischen Anisotropie zu suchen. In Princeton ist das Erdsignal 2,6 PT-10.000 mal größer als die aktuelle Lorentz-Verletzungsgrenze. 230 Meter vom geografischen Südpol entfernt, ist das Erdsignal weniger als 0,1 PT, 26.000 mal kleiner als das Princeton-Signal."

(PT-Transverse Momentum - der Impuls eines Objekts quer zur Strahlachse.)

NOTWENDIGKEIT DER SCHWINGUNGSISOLIERUNG

Das Atomspin-Co-Magnetometer der Romalis-Gruppe, das sowohl an der Princeton University in New Jersey als auch in ihrem South Pole Lab eingesetzt wird, gehört zu den empfindlichsten Geräten zur Prüfung der Lorentz-Symmetrie. Daher ist eine präzise Schwingungsisolierung erforderlich, um Schwingungen von seinen empfindlichen Komponenten zu isolieren - nicht nur für das Co-Magnetometer, sondern auch für die zugehörigen Laser und optischen Ausrichtungen des Systems.

Vibrationen im Bereich von wenigen Hertz (Hz) bis einigen 10s Hz beeinflussen die Prüfung. Diese internen und externen Einflüsse verursachen in erster Linie niederfrequente Schwingungen, die durch die Struktur übertragen werden und zu starken Störungen in empfindlichen Geräten führen.

Vibrationen in diesem Bereich können durch eine Vielzahl von Faktoren verursacht werden. Jede Struktur überträgt Geräusche. Innerhalb des Gebäudes selbst sind die Heizungs- und Lüftungsanlage, Ventilatoren, Pumpen und Aufzüge nur einige der mechanischen Vorrichtungen, die Vibrationen erzeugen. Je nachdem, wie weit die Geräte von diesen Vibrationsquellen entfernt sind und wo sich die Geräte in der Struktur befinden, ob z.B. im dritten Stock oder im Untergeschoss, wird bestimmt, wie stark die Instrumentierung beeinflusst wird.

Außerhalb des Gebäudes kann die Prüfung durch Vibrationen von Fahrzeugbewegungen, nahegelegenen Bauwerken, Fluglärm und sogar durch Wind und andere Wetterbedingungen beeinflusst werden, die eine Bewegung der Struktur verursachen können.

VAKUUMTAUGLICHE, NEGATIV STEIFE SCHWINGUNGSISOLIERUNG

Die Romalis-Gruppe wählte für ihre Lorentz-Symmetrieprüfung sowohl an der Princeton University als auch am Südpol einen Schwingungsisolator mit negativer Steifigkeit, der nur schwach magnetisch ist.

"Ein Schlüsselfaktor war die Fähigkeit, Vibrationen innerhalb einer Vakuumkammer, in der sich das Co-Magnetometer befindet, zu isolieren", erklärte Romalis. "Lufttische können Vibrationen in einem Vakuum nicht isolieren."

Abgesehen von der Vakuumanforderung sind Luftsysteme in der Regel nicht optimal eingestellt, um Vibrationen mit niedrigen Hz zu kompensieren. Sie erreichen eine gewisse Isolation - in der Regel in einer Dimension (vertikal) - und bieten eine begrenzte horizontale Isolation. Sie isolieren jedoch nicht in dem Maße, wie es bei sehr niedrigen Resonanzfrequenzen erforderlich ist, die niederzyklischen Störungen kommen häufig direkt zum Gerät.

Die von Minus K Technology entwickelten und patentierten Negativ-Steifigkeitsisolatoren bieten eine einzigartige Leistungsfähigkeit und verwenden ein vollständig mechanisches Konzept zur niederfrequenten Schwingungsisolierung, ohne dass Luft oder Strom benötigt wird.

Der große Vorteil von Negativ-Steifigkeitsisolatoren besteht darin, dass sie ein hohes Maß an Isolation in mehrere Richtungen erreichen. Negative-Steifigkeitsisolatoren haben die Flexibilität, Resonanzfrequenzen bis 0,5 Hz* vertikal und horizontal anzupassen (bei einigen Versionen mit 1,5 Hz horizontal).

(*Hinweis: Bei einem Isolationssystem mit einer Eigenfrequenz von 0,5 Hz beginnt die Isolation bei 0,7 Hz und verbessert sich mit zunehmender Schwingungsfrequenz. Die Eigenfrequenz wird häufiger verwendet, um die Systemleistung zu beschreiben.)

Die vertikale Bewegungsisolation wird durch eine steife Feder gewährleistet, die eine Gewichtsbelastung trägt, kombiniert mit einem Negativ-Steifigkeitsmechanismus. Die vertikale Nettosteifigkeit ist sehr gering, ohne die statische Tragfähigkeit der Feder zu beeinträchtigen. Strahlstützen, die in Reihe mit dem Vertikal-Bewegungsisolator geschaltet sind, sorgen für eine horizontale Bewegungsfreiheit. Eine Trägerstütze verhält sich wie eine Feder in Kombination mit einem negativen Steifigkeitsmechanismus.

SCHWINGUNGSÜBERTRAGBARKEIT

Die Schwingungsübertragbarkeit ist ein Maß für die Schwingungen, die durch den Isolator in Bezug auf die Eingangsschwingungen übertragen werden. Negative Steifigkeitsisolatoren erreichen bei Einstellung auf 0,5 Hz einen Isolationswirkungsgrad von etwa 93 Prozent bei 2 Hz, 99 Prozent bei 5 Hz und 99,7 Prozent bei 10 Hz. Negative Steifigkeitsisolatoren liefern eine sehr hohe Leistung, gemessen an einer Transmissionskurve.

Negativ-Steifigkeitsisolatoren schwingen bei 0,5 Hz mit. Bei dieser Frequenz ist fast keine Energie vorhanden. Es wäre sehr ungewöhnlich, eine signifikante Vibration bei 0,5 Hz zu finden. Vibrationen mit Frequenzen über 0,7 Hz (bei denen Isolatoren mit negativer Steifigkeit mit der Isolierung beginnen) werden mit zunehmender Frequenz schnell abgeschwächt.

SÜDPOLFLEXIBILITÄT

Negative Steifigkeitsisolatoren benötigen weder Strom noch Druckluft. Es gibt keine Motoren, Pumpen oder Kammern und keine Wartung, da es keinen Verschleiß gibt. Sie arbeiten rein mechanisch passiv.

Wenn Geräte von Vibrationen isoliert werden können, ohne mit Druckluft oder Elektrizität umgehen zu müssen, dann ist das System einfacher zu transportieren, einfacher zu installieren und zu warten. Dies war der Fall bei den Lorentz-Symmetrietests der Romalis-Gruppe an der Amundsen-Scott Station im Südpol.

"Der Negativ-Steifigkeitsisolator bot die Flexibilität, mit unserem Alkalimetall-Edelgas-Co-Magnetometer aus unserem Princeton-Labor in New Jersey leicht zum Südpol transportiert zu werden", fügte Romalis hinzu. "Wir mussten keine Anpassungen an der elektrischen Energie und den Pumpen vornehmen, um die Schwingungsisolierung zu unterstützen."

{{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}}