Local effects in gravitational physics: theoretical and experimental aspects

Workshop
 Local effects in gravitational physics:
theoretical and experimental aspects

Comitato Locale: Gaetano LAMBIASE, Luca PARISI, Ninfa RADICELLA, Gaetano VILASI

                   Università degli Studi di Salerno

               Dipartimento di Fisica "E. R. Caianiello"
                      Via Giovanni Paolo II, 132
                         Aula 14-15 Stecca 9
                          15 Dicembre 2014

Program

Chair: Gaetano Vilasi
                                 Frame-Dragging, String Theory and the LARES space
10:00 – 10:40   I. CIUFOLINI
                                 experiment
10:40 – 11:20   A. PAOLOZZI      LAser RElativity Satellite: an engineering challenge.

11:20 – 11:50   Coffee Break

Chair: Ignazio Ciufolini

                                 Probing Models of Extended Gravity using Gravity
11:50 – 12:30   A. STABILE
                                 Probe B and LARES experiments

                                 Constraints on Covariant Horava-Lifshitz Gravity from
12:30 – 13:10   N. RADICELLA
                                 frame-dragging experiment

Lunch Break
Chair: Angela Di Virgilio

                                 Local measurement of gravitational rotation by means
15:00 – 15:40   A. TARTAGLIA
                                 of light and matter waves

15:40 – 16:20   N. BEVERINI      I giroscopi Laser

16:20 – 16:50   Coffee Break

Chair: Angelo Tartaglia
16:50 – 17:20   A. DI VIRGILIO   GINGER

17:20 – 18:00   J. BELFI         TBA

Titles and Abstracts

                                           Ignazio CIUFOLINI
                                          Università del Salento

                Title: Frame-Dragging, String Theory and the LARES space experiment

                                          Antonio PAOLOZZI
                                           Roma La Sapienza

                      Title: LAser RElativity Satellite: an engineering challenge.

Abstract: The LAser RElativity Satellite (LARES) has been specifically designed for testing “frame
dragging” of general relativity. Over 40 laser ranging stations, belonging to the International Laser
Ranging Service (ILRS), will measure very accurately (at centimeter and even millimeter level from
the best stations) the distance of the satellite. Solid triangulation allows the orbit reconstruction. In
synthesis the requirement is that the satellite has to approach as closely as possible an ideal test
particle. From an engineering point of view this translates to a design that minimizes all the non
gravitational perturbations acting on the satellite. This in turn requires a minimization of the
surface-to-mass ratio for the satellite. The key choice was to use a tungsten alloy, never used
before for an aerospace structure. This allowed to build the densest orbiting object in the solar
system which implies to have built the best test particle orbiting Earth and probably the solar
system. But a number of manufacturing and tolerances issues arose, also concerning the specially
designed separation system and the Cube Corner Reflectors (CCRs). In particular a small
thermovacuum test facility has been specifically built to verify the CCR behavior in space conditions.
The presentation will focus on the design, manufacturing and testing of LARES satellite and related
subsystems.

                                          Angelo TARTAGLIA
                                          Politecnico di Torino

       Title: Local measurement of gravitational rotation by means of light and matter waves

Abstract: I shall present a comparative analysis of the possibilities offered by light and matter waves
in order to detect General Relativistic rotation effects. Various experimental options will be
reviewed, evidencing pros and cons of particle versus light beams. The weakest effects due to the
coupling of quantum objects to the gravitational field will be considered; in the case of light the

coupling of the spin of the photon with the space-time curvature will be shortly examined. Finally I
shall discuss shortly the possibilities offered by macroscopic quantum systems, such as superfluid
rings.

                                           Antonio STABILE
                                  Università di Salerno - INFN Salerno

      Title: Probing Models of Extended Gravity using Gravity Probe B and LARES experiments

Abstract: We consider models of Extended Gravity and in particular, generic models containing
scalar-tensor and higher-order curvature terms, as well as a model derived from noncommutative
spectral geometry. Studying, in the weak-eld approximation, the geodesic and Lense-Thirring
processions, we impose constraints on the free parameters of such models by using the recent
experimental results of the Gravity Probe B and LARES satellites.

                                          Ninfa RADICELLA
                                  Università di Salerno - INFN Salerno

      Title: Constraints on Covariant Horava-Lifshitz Gravity from frame-dragging experiment

Abstract: The effects of Horava-Lifshitz corrections to the gravito-magnetic field are analyzed.
Solutions in the weak field, slow motion limit, referring to the motion of a satellite around the Earth
are considered. The post-newtonian paradigm is used to evaluate constraints on the Horava-Lifshitz
parameter space from current satellite and terrestrial experiments data. In particular, we focus on
GRAVITY PROBE B, LAGEOS and the more recent LARES mission, as well as a forthcoming terrestrial
project, GINGER.

                                         Angela DI VIRGILIO
                                     Università di Pisa - INFN Pisa
                                            Title: GINGER

Abstract: GINGER (Gyroscopes IN General Relativity) è un progetto per un esperimento basato sulla
terra, che utilizza ring laser quadrati con lato di 6-8 m, disegnato per misurare localmente l’effetto
Lense-Thirring all’1%. G-Gran Sasso è l’esperimento INFN di gruppo II, preludio a GINGER. I due
prototipi, GP2 a Pisa e Gingerino al Gran Sasso, verranno descritti in dettaglio. Le caratteristiche
principali di GINGER e i tempi previsti verranno discussi.

                                           Nicolò BEVERINI
                                           Università di Pisa

                                        Title: I giroscopi laser

Abstract: L’applicazione dell’effetto Sagnac nell’emissione di un laser ad anello per la costruzione di
giroscopi comincia in pratica con l’invenzione stessa del laser. Per le applicazioni di navigazione e di
metrologia angolare sono stati sviluppati giroscopi di piccola dimensione, dell’ordine della decina di
centimetri. Con l’avvento negli anni ’90 del secolo scorso dei nuovi trattamenti ad alta riflettanza
per gli specchi è diventato possibile ridurre gli accoppiamenti tra i due fasci contropropaganti
permettendo a giroscopi di dimensione ≥ 1 m2 di misurare direttamente la rotazione della Terra. La
grande sensibilità di questi strumenti ha reso possibile la rilevazione di movimenti rotazionali del
suolo a seguito di fenomeni sismici e di segnali geodetici legati alle variazioni temporali della
velocità di rotazione terrestre (maree terrestri, polodia, Chandler wooble..) In particolare si è
arrivati alla costruzione di G, un giroscopio monolitico in Zerodur con struttura quadrata di 4 m di
lato. Questo giroscopio, locato a Wettzell in Baviera, a seguito di una serie di miglioramenti
apportati negli anni è arrivato a prestazioni al limite dello shot noise (risoluzione di 10-14 rad/s su
tempi di media dell’ordine di 104 s). Il gruppo INFN di Pisa si è inserito in questo tematica con il
progetto G-Pisa, che si riprometteva di dimostrare la fattibilità di rivelare mediante giroscopi laser i
moti di tilting delle sospensioni degli specchi dell’antenna gravitazionale VIRGO. L’occasionale
rivelazione del moto rotazionale provocato dal terremoto di Fukushima del 2011 ha dimostrato le
potenzialità di un simile strumento per la geofisica.

                                             Jacopo BELFI
                                           Università di Pisa

                                              Title : TBA