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L'isolation contre les vibrations de rigidité négative aide le laboratoire du pôle Sud de Princeton

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Le groupe Romalis de l'Université de Princeton a mis en place un laboratoire de terrain au pôle Sud avec un co-magnétomètre à spin atomique ultra-précis équipé d'un isolation vibratoire à rigidité négative pour isoler les vibrations des composants plus sensibles.

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L'invariance ou la symétrie de Lorentz, un ensemble de cadres fondamentaux qui sous-tendent la science moderne et la physique en particulier, est à la base de la théorie des champs quantiques (QFT) et de la théorie de la relativité générale d'Einstein, les deux théories les plus réussies en physique, qui ensemble décrivent les quatre forces fondamentales de la nature. En physique, en particulier en électromagnétisme, la force de Lorentz est la combinaison de la force électrique et de la force magnétique sur une charge ponctuelle due à des champs électromagnétiques. Alors que les équations de Maxwell modernes montrent comment les particules et les courants chargés électriquement, ou particules chargées en mouvement, produisent des champs électriques et magnétiques, la loi de force de Lorentz complète cette image en décrivant la force agissant sur une charge ponctuelle en mouvement en présence de champs électromagnétiques.

L'incapacité d'incorporer la gravité, cependant, telle que décrite par la relativité générale dans le modèle standard QFT de physique des particules - qui combine très bien les interactions électromagnétiques, fortes et faibles - a conduit à l'élaboration de théories alternatives de la gravité quantique. Comme bon nombre de ces théories brisent la symétrie de Lorentz à un petit niveau, des recherches expérimentales sur les effets violents de Lorentz pourraient aider à faire la lumière sur une nouvelle physique au-delà du modèle standard, et fournir des indices sur la nature de la gravité quantique. Les violations de Lorentz concernent les prédictions fondamentales de la relativité spéciale, telles que le principe de la relativité, la constance de la vitesse de la lumière dans tous les cadres de référence inertiels, et la dilatation temporelle, ainsi que les prédictions du modèle standard de la physique des particules.

TEST DE SYMÉTRIE DE LORENTZ ULTRA-PRÉCIS DE PRINCETON

Certains des tests les plus précis relatifs à la symétrie de Lorentz sont réalisés par le groupe Romalis de l'Université de Princeton.

"La symétrie de Lorentz sous-tend toutes les forces connues de la nature, fournissant l'un des rares liens entre la gravité et la mécanique quantique ", a déclaré Michael Romalis, Ph.D., professeur de physique et chef du groupe Romalis de l'Université de Princeton. "Il postule que les lois de la physique sont invariantes sous rotation, et restent les mêmes dans un référentiel mobile. La symétrie de Lorentz est également étroitement liée à la symétrie d'inversion du temps de partage de charge (CPT) qui renforce l'équivalence des particules et des antiparticules."

"Nous utilisons des techniques de très haute précision impliquant une rotation atomique polarisée pour tester la symétrie de Lorentz ", ajoute Romalis. "La présence de la violation de Lorentz apparaîtrait comme un champ efficace ressenti par les atomes. Vraisemblablement, ce champ agit comme un fond cosmique fixe qui, du point de vue de notre expérience terrestre, fluctue avec une période sidérale lorsque la Terre y tourne."

Un co-magnétomètre à gaz nobles de métal alcalin, enfermé dans une chambre à vide, est utilisé dans l'expérience du groupe pour mesurer de façon très sensible les champs qui se couplent au spin atomique, tout en supprimant les interactions du champ magnétique. Un co-magnétomètre à spin atomique se compose de deux espèces de spin occupant le même volume et mesurant le même champ magnétique. De telles mesures redondantes peuvent permettre d'annuler les fluctuations du champ magnétique et de se concentrer sur des interactions plus intéressantes allant au-delà du modèle standard de la physique des particules.

ANNULER LES EFFETS DE LA ROTATION DE LA TERRE AU PÔLE SUD

Des limites très strictes sur la rotation et la violation de Lorentz de boost ont déjà été déterminées à l'aide de mesures effectuées à Princeton. Cependant, un effet systématique important qui a limité les améliorations ultérieures a été le captage gyroscopique de la rotation de la Terre, ce qui a créé une direction privilégiée dans son laboratoire du New Jersey. Le signal effectif mesuré par les atomes était plus de 10 000 fois supérieur à la limite de Lorentz mesurée.

Pour surmonter cet effet systématique, le Groupe Romalis a déménagé ses appareils sur le site Cryo de la station Amundsen-Scott South Pole Station en janvier 2013. Ici, les effets de la rotation de la Terre sont presque complètement supprimés, tout en améliorant de deux ordres de grandeur la précision de l'essai.

"Les atomes polarisés dans le co-magnétomètre sont extrêmement sensibles aux rotations ", poursuit Romalis. "À Princeton, nous captons un grand signal de fond dû à la rotation de la Terre. Au pôle Sud, nous pouvons presque complètement éliminer ce signal. Le pôle Sud est l'endroit le plus symétrique sur Terre pour observer les effets de l'anisotropie cosmique. À Princeton, le signal de la Terre est 2,6 PT-10 000 fois plus grand que la limite actuelle de Lorentz-violation. Situé à 230 mètres du pôle Sud géographique, le signal de la Terre est inférieur à 0,1 PT, 26 000 fois plus petit que le signal de Princeton."

(PT - Momentum transversal - Momentum d'un objet perpendiculaire à l'axe du faisceau.)

NÉCESSITÉ D'ISOLER LES VIBRATIONS

Le co-magnétomètre à spin atomique du groupe Romalis, utilisé à la fois à l'Université de Princeton dans le New Jersey et dans son laboratoire du pôle Sud, est l'un des dispositifs les plus sensibles pour tester la symétrie de Lorentz. Par conséquent, l'isolation vibratoire de précision est nécessaire pour isoler les vibrations de ses composants sensibles, non seulement pour le co-magnétomètre, mais aussi pour les lasers et les alignements optiques associés du système.

Des vibrations de l'ordre de quelques hertz (Hz) à quelques dizaines de Hz influenceront le test. Ces influences internes et externes provoquent principalement des vibrations de basse fréquence qui sont transmises à travers la structure, créant de fortes perturbations dans les équipements sensibles.

Les vibrations à l'intérieur de cette plage peuvent être causées par une multitude de facteurs. Chaque structure transmet du bruit. À l'intérieur même du bâtiment, le système de chauffage et de ventilation, les ventilateurs, les pompes et les ascenseurs ne sont que quelques-uns des dispositifs mécaniques qui créent les vibrations. Selon la distance qui sépare l'équipement de ces sources de vibrations et l'endroit où il se trouve dans la structure, que ce soit au troisième étage ou au sous-sol, par exemple, l'influence sur l'instrumentation sera déterminante.

À l'extérieur du bâtiment, les essais peuvent être influencés par les vibrations causées par le mouvement du véhicule, la construction à proximité, le bruit des avions et même le vent et d'autres conditions météorologiques qui peuvent causer le mouvement de la structure.

COMPATIBLE AU VIDE, ISOLATION ANTIVIBRATOIRE À RIGIDITÉ NÉGATIVE

Le Groupe Romalis a choisi un isolateur de vibrations à rigidité négative, personnalisé pour être légèrement magnétique, pour ses tests de symétrie de Lorentz, tant à l'Université de Princeton qu'au pôle Sud.

"Un facteur clé était sa capacité à isoler les vibrations à l'intérieur d'une chambre à vide, qui abrite le co-magnétomètre," explique Romalis. "Les tables à air ne peuvent pas isoler les vibrations dans le vide."

Mis à part le besoin de vide, les systèmes d'air sont généralement moins qu'optimaux pour annuler les vibrations à basse fréquence. Ils permettent une certaine isolation - généralement dans une dimension (verticale) et offrent une isolation horizontale limitée. Mais ils n'isolent pas dans la mesure nécessaire aux fréquences de résonance très basses, les perturbations de cycle bas arrivent souvent directement dans l'équipement.

Développés et brevetés par Minus K Technology, les isolateurs de rigidité négative offrent une capacité unique, employant un concept entièrement mécanique d'isolation des vibrations à basse fréquence, sans air ni électricité.

Ce qui est très avantageux avec les isolateurs de rigidité négative, c'est qu'ils atteignent un haut niveau d'isolation dans de multiples directions. Les isolateurs de rigidité négative ont la flexibilité d'adapter les fréquences de résonance à 0,5 Hz* verticalement et horizontalement (avec certaines versions à 1,5 Hz horizontalement).

(*Note : Pour un système d'isolation avec une fréquence propre de 0,5 Hz, l'isolation commence à 0,7 Hz et s'améliore avec l'augmentation de la fréquence de vibration. La fréquence propre est plus couramment utilisée pour décrire les performances du système.)

L'isolation des mouvements verticaux est assurée par un ressort rigide qui supporte une charge de poids, combiné à un mécanisme de rigidité négative. La rigidité verticale nette est très faible sans affecter la capacité de charge statique du ressort. Les colonnes à poutres montées en série avec l'isolateur de mouvement vertical assurent l'isolation du mouvement horizontal. Une poutre-colonne se comporte comme un ressort combiné à un mécanisme de rigidité négative.

TRANSMISSIBILITÉ DES VIBRATIONS

La transmissibilité des vibrations est une mesure des vibrations qui sont transmises par l'isolateur par rapport aux vibrations d'entrée. Les isolateurs de rigidité négative, lorsqu'ils sont réglés à 0,5 Hz, atteignent une efficacité d'isolement d'environ 93 % à 2 Hz, 99 % à 5 Hz et 99,7 % à 10 Hz. Isolateurs de rigidité négative - Les isolateurs de rigidité offrent des performances très élevées, mesurées par une courbe de transmissibilité.

Les isolateurs de rigidité négative résonnent à 0,5 Hz. A cette fréquence, il n'y a presque pas d'énergie présente. Il serait très inhabituel de trouver une vibration importante à 0,5 Hz. Les vibrations avec des fréquences supérieures à 0,7 Hz (là où les isolateurs de rigidité négative commencent à isoler) sont rapidement atténuées avec l'augmentation de la fréquence.

FLEXIBILITÉ DU PÔLE SUD

Négatif - Les isolateurs de rigidité n'ont pas besoin d'électricité ou d'air comprimé. Il n'y a ni moteurs, ni pompes, ni chambres, ni entretien, car il n'y a rien à user. Ils fonctionnent uniquement en mode mécanique passif.

Si l'équipement peut être isolé des vibrations sans avoir à traiter avec de l'air comprimé ou de l'électricité, le système est plus simple à transporter et plus facile à installer et à entretenir. Ce fut le cas des essais de symétrie de Lorentz du Groupe Romalis à la station Amundsen-Scott, au pôle Sud.

"L'isolateur de rigidité négative a fourni la flexibilité nécessaire pour être facilement transporté de notre laboratoire de Princeton dans le New Jersey au pôle Sud avec notre co-magnétomètre à gaz naturel alcalin ", a ajouté M. Romalis. "Nous n'avons pas eu à faire d'ajustements pour l'alimentation électrique et les pompes pour supporter l'isolation vibratoire."

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