Experimental Physics of Gravitational Waves
Prerequisiti
Il corso è rivolto a studenti di Dottorato e della Laurea Magistrale e non richiede conoscenze pregresse di Relatività Generale.
Programma
Lezioni introduttive: Motivazioni per la ricerca sulle onde gravitazionali (GW). Panoramica dei risultati ottenuti da LIGO/Virgo fino ad oggi.
Teoria di base delle onde gravitazionali: Soluzione nel campo debole delle equazioni di Einstein. Propagazione delle onde gravitazionali. Sorgenti. Principio di rivelazione.
Interferometria: Interferometro di Michelson. Un rivelatore concettuale di onde gravitazionali.
Metodi matematici utili: descrizione del rumore nei domini del tempo e della frequenza.
Realizzazione di un rivelatore interferometrico di onde gravitazionali: rumore sismico, rumore termico, rumore quantistico. Cavità ottiche (Fabry-Perot, riciclo di potenza, riciclo di segnale).
Sistemi di controllo: Teoria di base dei sistemi di controllo. Controllo di un pendolo. Controllo di una cavità ottica (tecnica Pound-Drever-Hall). Locking dell'interferometro.
Tecnologie: Isolamento dalle vibrazioni, sospensioni, specchi, coating, squeezing.
Tecniche di analisi dei dati: Sistemi binari coalescenti, burst, sorgenti periodiche. Inferenza bayesiana
Risultati scientifici sulla fisica delle onde gravitazionali: GW150914, GW170817 e le loro implicazioni. Run O3 e O4: dagli eventi eccezionali agli studi di popolazione.
Astronomia multimessaggera
Cosmologia e fisica fondamentale con le onde gravitazionali
Rivelatori di terza generazione: Obiettivi scientifici, tecnologie.
Prospettive.
Obiettivi formativi
La rivelazione delle onde gravitazionali ha aperto una nuova finestra osservativa sull'universo, con il potenziale di rivoluzionare la nostra conoscenza in vari ambiti della ricerca contemporanea: dalle interazioni fondamentali alla cosmologia, dalla fisica nucleare all'astrofisica.
Questo corso offre agli studenti un percorso di apprendimento strutturato, esplorando il caso scientifico, le sfide sperimentali e i problemi tuttora aperti nella fisica delle onde gravitazionali. Partendo dalla teoria delle onde gravitazionali e dalle motivazioni fisiche che rendono interessante rivelarle, gli studenti faranno un percorso mirato a comprendere come, a partire da un esperimento concettuale, si arrivi a realizzare un rivelatore funzionante. Attraverso lo studio delle tecnologie e delle tecniche impiegate per costruire i rivelatori e per analizzarne i dati, gli studenti acquisiranno una comprensione sia dei successi scientifici raggiunti dagli esperimenti attuali, sia delle potenzialità di quelli futuri.
Durante il corso, gli studenti avranno l'opportunità di confrontarsi con alcune delle domande aperte nella ricerca sulle onde gravitazionali, partecipando attivamente a discussioni sulle sfide future.
Riferimenti bibliografici
P.R. Saulson - Fundamentals of interferometric GW detectors - World Scientific
M. Maggiore - Gravitational Waves - Oxford
D. Reitze, P.R. Saulson, H. Grote eds. - Advanced interferometric GW detectors - World Scientific
M. Bassan (ed.) - Advanced interferometers and the search for GW - Springer
Articoli proposti dal docente