Ruídos em massas ressonantes

A antena gravitacional recebe sinais vindos de muitas fontes diferentes, sendo que todos estes estimulam a antena, gerando um sinal de saída que é ampliado e armazenado para análise. Assim como no rádio do carro, a antena gravitacional sofre muita interferência, fazendo com que os sinais de uma possível onda gravitacional sejam encobertos por outros.

Estes sinais de interferência recebem o nome de ruído e podem ser provenientes de diferentes fontes, causando vários efeitos na antena, prejudicando sua sensibilidade e tornando por fim impossível a detecção de uma onda gravitacional. A seguir descreveremos os tipos de ruídos que são mais relevantes.

O primeiro ruído a ser reduzido o máximo possível é o térmico. A temperatura faz com que haja um movimento natural das moléculas de qualquer meio material, conhecido como movimento browniano. Este movimento cria um sinal cuja amplitude é muito superior aos das ondas. Um dos meios para se reduzir tal efeito é imergindo a barra em câmaras criogênicas, blindando-as o máximo possível da temperatura externa, e reduzindo ao máximo a sua temperatura e/ou utilizando materiais com alto Q mecanico. Por esse motivo que tivemos as evoluções das gerações das antenas.

Conseguimos resolver o problema do ruído térmico, porém ao resfriarmos a barra introduzimos um novo ruído. Estes ruídos são originados na câmara de mistura (Mixer Chamber) durante o processo de resfriamento por diluição (mistura de He3 _{e He}4 _{líquidos para obter temperaturas na ordem de mK).} O borbulhamento do He introduz um ruído de baixa frequência, que, através de fenômenos não lineares, pode ser convertido em ruídos na faixa de detecção. Este ruído pode ser evitado fazendo-se um contato térmico entre o refrigerador e a antena através de um módulo antivibratório, permitindo ao mesmo tempo o resfriamento e o isolamento do ruído.

Não menos causador de problemas que o ruído térmico estão os ruídos sísmicos e vibracionais. O ruído sísmico é causado pelo movimento da crosta terrestre que resultam em terremotos. Já os ruídos vibracionais são aqueles gerados pelo tráfego tanto de pessoas como automóveis próximos à antena, além de movimentos de dilatação das estruturas e da construção civil. Os ruídos são gaussianos e não estacionários. Caso não sejam eliminados eles podem produzir sinais de baixa frequência que excitam os modos de alta frequência da antena. Como todos os ruídos, este também deve ser reduzido o máximo possível. Isto se dá através de sistemas de isolamento, onde as barras são içadas e mantidas em vácuo, além de sistemas de amortecimento para amenizar as vibrações geradas.

Outro tipo de ruído que pode causar vibração da barra, e que exige um sistema bom de isolamento vibracional e um alto vácuo ao redor da antena, é o ruído acústico. Este ruído é provocado por ondas sonoras emitidas por várias fontes como buzinas, trovões, conversas e música com elevada intensidade sonora.

Além de ondas sonoras, as ondas eletromagnéticas também são causadoras de ruídos. Ondas geradas por emissoras de televisão, rádio, telefonia celular, quedas de raios, indução eletromagnética devido ao ato de ligar e desligar equipamentos eletrônicos do próprio laboratório e qualquer outro tipo de emissão eletromagnética causa ruídos indesejáveis na antena. Muitas técnicas são utilizadas para vetar estas ondas: filtros RF instalados nas fiações de conexão, placas de metal isolando a antena e gaiolas de Faraday.

Após termos reduzido o máximo possível do ruído térmico, o que passa a ser dominante é o ruído eletrônico. Este ruído é proveniente de amplificadores e transdutores. Estes aparelhos trabalham acoplados, atuando como se fosse um único sistema. Qualquer variação de corrente na entrada do circuito é transformada em um ruído atuando de volta na antena. Essa nova vibração causada pelo ruído será novamente lida pelo transdutor e ampliada, porém parte do sinal ampliado é somente devido a ruído. Por isso que é de suma importância o desenvolvimento de instrumentos que consigam fazer a leitura das vibrações e as transforme em sinais limpos.

Entre as fontes externas de ruído de um detector ressonante, nós temos de incluir o efeito de raios cósmicos altamente energéticos incidindo sobre a antena. Este problema foi estudado [22] vários anos atrás experimentalmente por Strini et al, e em 1986 Amaldi & Pizzella mostraram que esta fonte de ruído pode ser relevante para detectores da nova geração à temperatura ultra baixas (h≤1.10-19_{). A}

energia perdida pelos raios cósmicos é convertida em uma expansão local da barra devido ao aumento de temperatura. A energia depositada no modo fundamental da barra pela partícula com uma perda de energia dE/dx cruzando a barra pode ser descrita como sendo:

E_n=4kB 9 2 L 2













Aqui, R é o raio da barra, υ é a velocidade do som no material da barra e γ é o coeficiente de Gruneisen (γ = 1,6 no alumínio). l0 é o comprimento do traço da partícula dentro da barra, z0 é a distância do ponto médio do traço a partir de um dos finais da barra, θ0 o ângulo entre o traço da partícula e o eixo da barra. Os eventos de raios cósmicos podem ser devido a diversas contribuições, como as interações de múons, hádrons, chuveiros atmosféricos extensos (CAE), e interações multi-

hadrônicas. Simulações de Monte Carlo tem sido realizadas para obter uma taxa de eventos para as várias contribuições. As principais contribuições são devido às interações hadrônicas e muônicas, e, para dar uma ordem de magnitude do efeito para uma barra como EXPLORER ao nível do mar, a taxa esperada é de 2,2 eventos/dia com Teff =1mK. No limite quântico, (Teff ≈ 10-1 μK), a taxa aumenta para 5000 eventos por dia.