IL TEMPO E' ATOMICO DAVIDE CALONICO ISTITUTO NAZIONALE RICERCA METROLOGICA - I@PHT
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IL TEMPO E’ ATOMICO Davide Calonico Istituto Nazionale Ricerca Metrologica d.calonico@inrim.it
Sommario Metrologia di tempo e frequenza Orologi atomici, orologi ottici Link Ottici in Fibra Applicazioni scientifiche
Metrologia di Tempo e frequenza:
who cares?
T&F Users
POSITIONING
TELECOMUNICAZIONI
DATAZIONE
TRASPORTI
ELECTRIC
POWER
E-COMMERCE
T&F Users
STRUMENTI
SPAZIO
GEODESIA
RICERCA
FONDAMENTALE
AGRICOLTURA DIFESA
Il secondo : definizione
(la metrologia non è una scienza statica)
• Tempo solare medio (fino al 1960)
Il secondo è la frazione 1 / 86 400
del giorno solare medio
• Tempo delle Effemeridi (dal 1960 al 1967)
Il secondo è la frazione 1 / 31 556 925,9747
dell’anno tropico relativo al giorno
1 gennaio 1900 alle ore 12 UT
• Tempo atomico (dal 1967)
ll secondo è la durata di 9 192 631 770
periodi della radiazione corrispondente
alla transizione tra i due livelli iperfini
dello stato fondamentale dell’atomo
di cesio 133.
Campione atomico di frequenza primario Un campione atomico di frequenza è un dispositivo capace di riferire la frequenza di un oscillatore macroscopico (un quarzo, un laser) a quella di un sistema quantistico semplice (atomo, ione o molecola). Gli atomi sono tutti identici tra loro La frequenza di risonanza non muta nel tempo Il campione si dice primario quando la frequenza di risonanza dell’atomo si può ricondurre alla sua frequenza imperturbata.
Orologi atomici: Principia
Equivalenza di Bohr E = h
INTERAZIONE
ATOMI-RADIAZIONE
MISURA del numero
PREPARAZIONE di atomi transiti allo
degli atomi nello stato finale della
stato iniziale della transizione.
transizione
Oscillatore Correzione per la
Macroscopico frequenza dell’oscillatore
Locale fino a raggiungere il
massimo numero di atomi
Frequenza nominale transiti.
(Microonda, laser)
Orologi atomici commerciali:
Cesio
1 m
Idrogeno
Rubidio
Maser all’Idrogeno commerciale
4 mm
40 cm
Orologio al Cesio commerciale
Campioni al Rb miniaturizzato (chip scale)
Acuratezza degli orologi atomici
10-8
Primo Cs a fascio
(1955)
10-10
Prima fontana Cs 10-12
(1996)
10-14
Fontane di Cs
(oggi) 10-16
10-18
Orologi ottici
(oggi)
10-20
10Acuratezza degli orologi atomici
10-8
Primo Cs a fascio
(1955)
10-10
Tecnologie:
Prima fontana Cs 10-12 LASER COOLING
(1996)
10-14
Optical combs
Fontane di Cs
(oggi) 10-16
LASER COME
OROLOGI
10-18
Orologi ottici
(oggi)
10-20
11Acuratezza degli orologi atomici
10-8
Primo Cs a fascio
(1955)
10-10
Tecnologie:
Prima fontana Cs 10-12 LASER COOLING
(1996)
10-14
Optical combs
Fontane di Cs
(oggi) 10-16
LASER COME
OROLOGI
10-18
Orologi ottici
(oggi) -20
10 LA
VERSO
RIDEFINIZIONE DEL
SECONDO! 12Fontana criogenica al Cs INRIM ITCsF2
Criogenica @ 89 K
σy()=1.5·10-13 -1/2
Accuratezza: 2,4·10-16
F. Levi, et al., Metrologia, 51, 270 (2014);
S. R. Jefferts et al. Phys Rev Lett, 112, 050801 (2014 )
13Orologi ottici nel mondo
Orologi ottici basati su atomi neutri o ioni:
Hg, Yb, Sr, Mg, Al+, Hg+, Yb+, Sr+, Ca+, In+
14
Torino, Fisica, 8 Novembre 2013Orologio a Yb in reticolo all’INRIM
σy()=2·10-15 -1/2
Accuratezza: 4·10-17
15INRIM 2017 : Atomic Frequency Standards Fibre Link: dissemination of HM/Cryogenic fountain; Comparison of Yb optical clock (Turin-Paris Link ongoing) ITCsF2 cryogenic Cs fountain ITYb1 Yb lattice clock Cs Yb F. Levi, et al., Metrologia, 51, 270 (2014); M. Pizzocaro, et al., Metrologia, 54, 102 (2017); 4x10-16 accuracy, 2x10-13-1/2 stability 4x10-17 accuracy, 2x10-15-1/2 stability
Orologio ottico all‘Yb: ciclo operativo
Reticolo Orologio
BlueTrap Green Trap
1S0-3P0
399 nm 556 nm 759 nm 578 nm
Yb @ 1 mK (20 cm/s) Yb @ 10 K (1 cm/s) Yb in reticolo @ 5 K
• Blue MOT • Green MOT • Lattice e Orologio
107 Atomi 171Yb 70% eficienza di transfer 4x104 atomi
MOT
150 ms tempo blu
di carica Temperatura Atomi 10 µK 3 s vita della trappola di
Temperatura Atomi 1 mK reticolo
17
Torino, 19 marzo 2014Orologio ottico all‘Yb: ciclo operativo
Reticolo Orologio
BlueTrap Green Trap
1S0-3P0
399 nm 556 nm 759 nm 578 nm
Yb @ 1 mK (20 cm/s) Yb @ 10 K (1 cm/s) Yb in reticolo @ 5 K
• Blue MOT • Green MOT • Lattice e Orologio
107 Atomi 171Yb 70% eficienza di transfer 4x104 atomi
MOT
150 ms tempo blu
di carica Temperatura Atomi 10 µK 3 s vita della trappola di
Temperatura Atomi 1 mK reticolo
18
Torino, 19 marzo 2014Yb optical clock
Yb: misura assoluta di frequenza
Optical Comb
Fontana
Target accuratezza:
1x0-17 e oltre
H Masers
Orologio Yb in reticolo
20Tempo preciso per tutti: come?
Istituti metrologici
Fibre ottiche Satelliti
UTENTIAcuratezza degli orologi atomici
10-8
Primo Cs a fascio
(1955)
10-10
Prima fontana Cs 10-12
(1996)
10-14
Satelliti
Fontane di Cs (1 giorno misura)
(oggi) 10-16
10-18
Orologi ottici
(oggi) Fiber links
10-20 (1 giorno misura)
22Fiber Link: principio
LASER 1542 nm,
ULTRASTABILE D< 10 Hz
FIBRA OTTICA
BIDIREZIONALE Faraday
Mirror
AOM1
AOM2
Optical
Faraday
Filter Mirror
PLL
Compensazione
rumore della fibra
CLOCK B
CLOCK ALink Italiano
per Tempo e Frequenza
800 km di fibre ottiche
Diverse architetture disponibile (Dark Fibers, DWDM
eCWDM channels
11 Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA)
Fibra da Consortium GARR e Consortium TOP-IX
24
D. Calonico, KRISS, 2015 August 27DAL 2013
DAL 2016
LIFT
FIBER
LINK:
extension
25
D. Calonico et al., European Physics Letters 110, 40001 (2015)LIFT: impatto sulla ricerca
Frejus: Geodesia Relativistica Firenze: Fisica Atomica e
Molecolare
Matera
Bologna
Radioastronomia VLBI
Cagliari
Geodesia
Spaziale
Noto
26LIFT: impatto sulla ricerca
Frejus: Geodesia Relativistica Firenze: FisicaINRIM/LENS
Atomica e
Molecolare Spectroscopia
Test Relatività Yb gas degeneri
Generale
INRIM/CNR
Spectroscopia molecole fredde
test stabilità me/mp
Matera
Bologna
Radioastronomia VLBI
Cagliari
Geodesia
INRIM/INAF/ASI
Spaziale
Radioastronomia
Noto
VLBI
27VLBI e radioastronomia
FREJUS
TORINO BOLOGNA
FUCINO
Space
MATERA
Geodesy
Center
Bepi Colombo
28
D. Calonico , CNR Roma, 10 Ottobre 2015Test sulla Relatività di Einstein INRIM-ASI- ESA
(July 2017- January 2019)
Microwave Link
Torino-ISS
Laser Ranging
Optical Link Matera-ISS
Torino-Matera
Orologi atomici
Space Geodesy
Center Bepi
1500 km fibra ottica ColomboRed-shift Gravitazionale
Relatività Generale :
Un potenziale gravitazionale W
deforma la metrica spaziotemporale e
sposta la frequenza di un orologio
rispetto a 0 su un potenziale di
riferimento W0
Nel limite di campo debole
W/c2Local Position Invariance
In campi gravitazionali deboli, il principio di equivalenza di Einstein (EEP)
porta l’invarianza locale di posizione (LOCAL POSITION INVARIANCE,
LPI):
SPECIE ATOMICHE DIVERSE RISENTONO DELLO STESSO RED
SHIFT GRAVITAZIONALE
Due orologi A e B, che usano due diverse specie atomiche
A A0 W
[1 ( A B ) 2 ]
B B0 c
RELATIVITA’
GENERALE
A BGeodesia Relativistica sulle Alpi
Orologi accurati possono misurare direttamente la differenza di potenziale
gravitazionale
Frejus Tunnel,1263 m
Torino, 240 m
1000 m di differenza in quota equivalgono a una differenza di
frequenz10-13 da studiare a livello di 10-17 (test level < 10-4)
32
D. Calonico , CNR Roma, 10 Ottobre 2015Geodesia Relativistica sulle Alpi
Orologio ottico Sr
(PTB, Germania )
150 km FIBER
LSM
INRIM
Orologio ottico Yb
(INRIM)
33Fiber Links in Europa
2015
2015
2016
D. Calonico et al., European Physics Letters 110, 40001 (2015)
34Orologi, Fiber Links e VLBI in Europa
Time over Fiber: Industry
TELECOMMUNICATIONS
SPACE
CALIBRATIONS
FINANCE
POWER SMART GRID
EFTF 2017, Besançon, 11.07.2017ESMA MiFID II
Regulatory Technical
Standard 25
Start January 2018
Financial trades time stamping traced to UTC
Most demanding requirement:
Accuracy 100 s and «granularity» 1 s
Certified Traceability
Robustness
EFTF 2017, Besançon, 11.07.2017H2020 - Demetra
SEE P. TAVELLA TALK ON WEDNESDAY This project has received funding
from the European GNSS Agency
under the European Union’s
Horizon 2020 research and
innovation programme under
grant agreement No 640658.
DEMETRA
DEMonstrator of EGNSS services
based on
Time Reference Architecture
EFTF 2017, Besançon, 11.07.2017Time over Fibre for the Financial Market
• 160 km Fibre link dedicated to financial users
• Under operation since 2016
• Validation within H2020-Demetra now available as a service
• Cooperation with Consortium TOP-IX (telco consortium)
• White Rabbit / IEEE1588 Time dissemination
• Co-existence with data Traffic (DWDM architecture)
UTC(IT) @INRIM
Colocation Italian Stock Exchange in Milano
EFTF 2017, Besançon, 11.07.2017Data Center in Milano (colocation with Milano stock exchange) Fibre and premises of TOP-IX
Time over Fibre for Finance: performances
0,5 ns
160 km real link with
WR-PTP
In collaboration with
Time Laboratory
@INRIM
Validation:
First in closed loop (equivalent haul, start/end at INRIM, no offset atINRIM
Atomic Frequency Standards Group
Group Leaders: F. Levi, D. Calonico
Optical Link and Combs: C. Clivati, A. Mura, A. Tampellini, M. Gertosio, P. Barbieri
Yb Clock: M. Pizzocaro, B. Rauf, F. Bregolin
Sr Clock: M. Tarallo, M. Barbiero
Cell Clocks: S. Micalizio, M. Gozzelino, C. E. Calosso
Atomic Fountain: G. A. Costanzo
Electronics: C. E. Calosso, E. K. Bertacco, C. CardenaIl tempo e la relatività: S. Dalì, 1931, La Persistenza della memoria
ma anche il paradigma dei quanti… Salvador Dalì, 1954, La Disintegrazione della Persistenza della memoria
Il tempo è atomico (divulgazione)
Ottobre 2013
http://www.hoepli.it/libro/il-tempo-e-atomico-/9788820358945.html
45Le Costanti Fondamentali
sono costanti?
Molte teorie oltre il modello standard “vivono” in N dimensioni con N>4
Esempio: Teorie di Kaluza-Klein (KK) e quindi teorie di corda; teorie di
membrana
IN TUTTI I MODELLI OLTRE LO STANDARD, le costanti extra-dimensionali
sono fissate, ma le costanti dell’universo 4-dimensionale variano nello
spaziotempo.
La ricerca di una variazione delle costanti fondamentali è un test diretto per
una teoria oltre il modello standard.
Anche molte teorie proposte per spiegare Dark Energy/ Dark Matter,
presuppongono l’esistenza di campi scalari che causano variazioni delle
costantimp , g(i) non sono parametri fondamentali nel Modello Standard,
ma si dimostra che sono legati al parametro fondamentale
mq/ΛQCD, mq=(mu+md)/2) (mu, md massa del quark up e down)
Si dimostra che qualsiasi transizione atomica di frequenza at
dipende da una combinazione di solo 3 costanti fondamentali
a, mq/ΛQCD, me/ΛQCD , ΛQCD costante di scala di QCD.
I coefficienti di sensibilità per varie transizioni atomiche sono
stati calcolati
V. V. Flambaum et al., PR D69, 115006 (2004)
V. V. Flambaum and A. F. Tedesco, PR C73, 055501 (2006)
at at a at
me / QCD at
mq / QCD
ln Ka Ke Kq
R c a me / QCD mq / QCDConfronto Hg+/Cs & Yb+/Cs & Hg+/Al+
a
(2 2) 10 17 / anno ( 2 4) 10 16 / anno
a
Cs / B g p me / m pOrologi Atomici vs Spettri Quasar? Constant Limit (yr-1) Z Method
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