CERN compartilha conhecimento do beampipe

A detecção direta de ondas gravitacionais em 2015 abriu uma nova janela para o universo, permitindo que os pesquisadores estudassem o cosmos mesclando dados de várias fontes. Existem atualmente quatro telescópios de ondas gravitacionais (GWTs) em operação: LIGO em dois locais nos EUA, Virgo na Itália, KAGRA no Japão e GEO600 na Alemanha. As discussões estão em andamento para estabelecer um site adicional na Índia. A detecção de ondas gravitacionais é baseada na interferometria a laser de Michelson com cavidades de Fabry-Perot, que revela a expansão e contração do espaço ao nível de dez milésimos do tamanho de um núcleo atômico, ou seja, 10-19 m. Apesar da tensão extremamente baixa que precisa ser detectada, uma média de uma onda gravitacional é medida por semana de medição, estudando e minimizando todas as possíveis fontes de ruído, incluindo vibração sísmica e dispersão de gás residual. Este último é reduzido colocando o interferômetro em um tubo onde é gerado vácuo ultra-alto. No caso de Virgem, o vácuo dentro dos dois braços perpendiculares de 3 km de comprimento do interferômetro é inferior a 10-9 mbar.

Enquanto as instalações atuais estão sendo operadas e atualizadas, a comunidade de ondas gravitacionais também está se concentrando em uma nova geração de GWTs que fornecerá uma sensibilidade ainda melhor. Isso seria alcançado por braços de interferômetro mais longos, juntamente com uma redução drástica de ruído que pode exigir resfriamento criogênico dos espelhos. Os dois principais estudos são o Telescópio Einstein (ET) na Europa e o Cosmic Explorer (CE) nos EUA. O comprimento total dos vasos de vácuo previstos para os interferômetros ET e CE é de 120 km e 160 km, respectivamente, com um diâmetro de tubo de 1 a 1,2 m. As pressões operacionais exigidas são típicas daquelas necessárias para aceleradores modernos (ou seja, na região de 10-10 mbar para hidrogênio e ainda mais baixas para outras espécies de gás). A próxima geração de GWTs representaria, portanto, os maiores sistemas de ultra-alto vácuo já construídos.

A próxima geração de telescópios de ondas gravitacionais representaria os maiores sistemas de ultra-alto vácuo já construídos.

Produzir essas pressões não é difícil, pois os atuais sistemas de vácuo dos interferômetros GWT têm um grau comparável de vácuo. Em vez disso, o desafio é o custo. De fato, se as soluções da geração anterior fossem adotadas, o sistema de tubulação a vácuo representaria metade do custo estimado do CE e não muito longe de um terço do ET, que é dominado pela engenharia civil subterrânea. Reduzir o custo dos sistemas de vácuo requer o desenvolvimento de diferentes abordagens técnicas em relação às instalações da geração anterior. Desenvolver tecnologias mais baratas também é um assunto chave para futuros aceleradores e uma sinergia em termos de métodos de fabricação, tratamentos de superfície e procedimentos de instalação já é visível.

Dentro de uma estrutura oficial entre o CERN e os principais institutos do estudo ET – Nikhef na Holanda e INFN na Itália – os grupos TE-VSC e EN-MME do CERN estão compartilhando sua experiência em vácuo, materiais, fabricação e tratamentos de superfície com o comunidade de ondas. A atividade teve início em setembro de 2022 e deverá terminar no final de 2025 com um relatório de projeto técnico e um teste completo de um setor piloto de embarcação a vácuo. Durante o workshop "Beampipes for Gravitational Wave Telescopes 2023", realizado no CERN de 27 a 29 de março, 85 especialistas de diferentes comunidades que abrangem tecnologias de aceleradores e ondas gravitacionais e de empresas com foco na produção de aço, fabricação de tubos e equipamentos de vácuo se reuniram para discutir os últimos progressos. O evento seguiu um semelhante organizado pelo LIGO Livingston em 2019, que deu orientações importantes para tópicos de pesquisa.

Traçando um curso Em uma série de contribuições introdutórias, foram apresentados os elementos teóricos básicos sobre os requisitos de vácuo e o status dos estudos de CE e ET, destacando iniciativas em tecnologias de vácuo e materiais realizadas na Europa e nos EUA. A descrição detalhada dos atuais sistemas de vácuo GWT forneceu um ponto de partida para as apresentações dos desenvolvimentos em andamento. Para realizar uma análise e redução de custo efetiva, todo o processo deve ser levado em consideração - incluindo produção e tratamento de matéria-prima, fabricação, tratamento de superfície, logística, instalação e comissionamento no túnel. Adicionalmente, as interfaces com as áreas experimentais e outros serviços como engenharia civil, distribuição elétrica e ventilação são essenciais para avaliar o impacto das escolhas tecnológicas para os tubos de vácuo.