IL TEMPO E ATOMICO. Davide Calonico Istituto Nazionale Ricerca Metrologica.

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1 IL TEMPO E ATOMICO Davide Calonico Istituto Nazionale Ricerca Metrologica d.calonico@inrim.it

2 Sommario Metrologia di tempo e frequenza Orologi atomici, orologi ottici Link Ottici in Fibra Applicazioni scientifiche

3 Metrologia di Tempo e frequenza: who cares?

4 T&F Users POSITIONING TELECOMUNICAZIONI DATAZIONE TRASPORTI E-COMMERCE ELECTRIC POWER

5 T&F Users STRUMENTI SPAZIO GEODESIA RICERCA FONDAMENTALE AGRICOLTURA DIFESA

6 Il secondo : definizione (la metrologia non è una scienza statica) Tempo solare medio (fino al 1960) Il secondo è la frazione 1 / del giorno solare medio Tempo delle Effemeridi (dal 1960 al 1967) Il secondo è la frazione 1 / ,9747 dell anno tropico relativo al giorno 1 gennaio 1900 alle ore 12 UT Tempo atomico (dal 1967) ll secondo è la durata di periodi della radiazione corrispondente alla transizione tra i due livelli iperfini dello stato fondamentale dell atomo di cesio 133.

7 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.

8 Orologi atomici: Principia Equivalenza di Bohr E = h INTERAZIONE ATOMI-RADIAZIONE PREPARAZIONE degli atomi nello stato iniziale della transizione Oscillatore Macroscopico Locale Frequenza nominale (Microonda, laser) MISURA del numero di atomi transiti allo stato finale della transizione. Correzione per la frequenza dell oscillatore fino a raggiungere il massimo numero di atomi transiti.

9 Orologi atomici commerciali: Cesio Idrogeno Rubidio 1 m Maser all Idrogeno commerciale 4 mm 40 cm Orologio al Cesio commerciale Campioni al Rb miniaturizzato (chip scale)

10 Acuratezza degli orologi atomici Primo Cs a fascio (1955) Prima fontana Cs (1996) Fontane di Cs (oggi) Orologi ottici (oggi)

11 Acuratezza degli orologi atomici Primo Cs a fascio (1955) Prima fontana Cs (1996) Tecnologie: LASER COOLING Fontane di Cs (oggi) Orologi ottici (oggi) Optical combs LASER COME OROLOGI 11

12 Acuratezza degli orologi atomici Primo Cs a fascio (1955) Prima fontana Cs (1996) Tecnologie: LASER COOLING Fontane di Cs (oggi) Orologi ottici (oggi) VERSO LA RIDEFINIZIONE DEL SECONDO! Optical combs LASER COME OROLOGI 12

13 Fontana criogenica al Cs INRIM ITCsF2 F. Levi, et al., Metrologia, 51, 270 (2014); S. R. Jefferts et al. Phys Rev Lett, 112, (2014 ) 89 K σ y ()= /2 Accuratezza: 2,

14 Orologi ottici nel mondo Orologi ottici basati su atomi neutri o ioni: Hg, Yb, Sr, Mg, Al+, Hg+, Yb+, Sr+, Ca+, In+ Torino, Fisica, 8 Novembre

15 Orologio a Yb in reticolo all INRIM σ y ()= /2 Accuratezza:

16 INRIM 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); 4x10-16 accuracy, 2x /2 stability M. Pizzocaro, et al., Metrologia, 54, 102 (2017); 4x10-17 accuracy, 2x /2 stability

17 BlueTrap 399 nm Orologio ottico all Yb: ciclo operativo Green Trap 556 nm Reticolo 759 nm Orologio 1S0-3P0 578 nm 1 mk (20 cm/s) 10 K (1 cm/s) Yb in 5 K Blue MOT 10 7 Atomi 171Yb MOT blu 150 ms tempo di carica Temperatura Atomi 1 mk Green MOT 70% eficienza di transfer Temperatura Atomi 10 µk Lattice e Orologio 4x10 4 atomi 3 s vita della trappola di reticolo Torino, 19 marzo

18 BlueTrap 399 nm Orologio ottico all Yb: ciclo operativo Green Trap 556 nm Reticolo 759 nm Orologio 1S0-3P0 578 nm 1 mk (20 cm/s) 10 K (1 cm/s) Yb in 5 K Blue MOT 10 7 Atomi 171Yb MOT blu 150 ms tempo di carica Temperatura Atomi 1 mk Green MOT 70% eficienza di transfer Temperatura Atomi 10 µk Lattice e Orologio 4x10 4 atomi 3 s vita della trappola di reticolo Torino, 19 marzo

19 Yb optical clock

20 Yb: misura assoluta di frequenza Optical Comb Target accuratezza: 1x0-17 e oltre Fontana H Masers Orologio Yb in reticolo 20

21 Tempo preciso per tutti: come? Istituti metrologici Fibre ottiche Satelliti UTENTI

22 Acuratezza degli orologi atomici Primo Cs a fascio (1955) Prima fontana Cs (1996) Fontane di Cs (oggi) Satelliti (1 giorno misura) Orologi ottici (oggi) Fiber links (1 giorno misura) 22

23 Fiber Link: principio LASER ULTRASTABILE 1542 nm, D< 10 Hz FIBRA OTTICA BIDIREZIONALE Faraday Mirror Optical Filter Faraday Mirror AOM1 AOM2 PLL CLOCK A Compensazione rumore della fibra CLOCK B

24 Link 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 D. Calonico, KRISS, 2015 August 27 24

25 DAL 2013 DAL 2016 LIFT FIBER LINK: extension D. Calonico et al., European Physics Letters 110, (2015) 25

26 LIFT: impatto sulla ricerca Frejus: Geodesia Relativistica Firenze: Fisica Atomica e Molecolare Bologna Radioastronomia VLBI Matera Cagliari Noto Geodesia Spaziale 26

27 LIFT: impatto sulla ricerca Frejus: Geodesia Relativistica Test Relatività Generale Bologna Radioastronomia VLBI INRIM/LENS Spectroscopia Yb gas degeneri Firenze: Fisica Atomica e Molecolare INRIM/CNR Spectroscopia molecole fredde test stabilità me/mp Matera Cagliari INRIM/INAF/ASI Geodesia Spaziale Radioastronomia VLBI Noto 27

28 VLBI e radioastronomia FREJUS TORINO BOLOGNA FUCINO MATERA Space Geodesy Center Bepi Colombo D. Calonico, CNR Roma, 10 Ottobre

29 Test sulla Relatività di Einstein INRIM-ASI- ESA (July January 2019) Microwave Link Torino-ISS Optical Link Torino-Matera Laser Ranging Matera-ISS Orologi atomici 1500 km fibra ottica Space Geodesy Center Bepi Colombo

30 Red-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 W 0 Nel limite di campo debole W/c 2 << 1, c velocità della luce, W 0 riferimento di potenziale): Sulla Terra (rispetto al W 0 del Geoide): v 0 v( r) W ( r) v 2 0 c W v0 10 f v( r ) g m 1.09 m 2 v c 0

31 Local 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 B A0 B0 [1 ( A B ) W c 2 ] RELATIVITA GENERALE A B

32 Geodesia 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 (test level < 10-4 ) D. Calonico, CNR Roma, 10 Ottobre

33 Geodesia Relativistica sulle Alpi Orologio ottico Sr (PTB, Germania ) LSM 150 km FIBER INRIM Orologio ottico Yb (INRIM) 33

34 Fiber Links in Europa D. Calonico et al., European Physics Letters 110, (

35 Orologi, Fiber Links e VLBI in Europa

36 Time over Fiber: Industry TELECOMMUNICATIONS SPACE CALIBRATIONS FINANCE POWER SMART GRID EFTF 2017, Besançon,

37 ESMA 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,

38 H 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 DEMETRA DEMonstrator of EGNSS services based on Time Reference Architecture EFTF 2017, Besançon,

39 Time 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) Colocation Italian Stock Exchange in Milano EFTF 2017, Besançon,

40 Data Center in Milano (colocation with Milano stock exchange) Fibre and premises of TOP-IX

41 Time over Fibre for Finance: performances 0,5 ns 160 km real link with WR-PTP In collaboration with Time Validation: First in closed loop (equivalent haul, start/end at INRIM, no offset at <1 ns level. Validation: comparison vs GPS-PPP technique, accuracy<5ns within GPS accuracy Lesson learned: calibration issues on the devices; interoperability; remote control and monitor EFTF 2017, Besançon,

42 INRIM 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. Cardena

43 Il tempo e la relatività: S. Dalì, 1931, La Persistenza della memoria

44 ma anche il paradigma dei quanti Salvador Dalì, 1954, La Disintegrazione della Persistenza della memoria

45 Il tempo è atomico (divulgazione) Ottobre

46 Le 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 costanti

47 m p, g (i) non sono parametri fondamentali nel Modello Standard, ma si dimostra che sono legati al parametro fondamentale m q /Λ QCD, m q =(m u +m d )/2) (m u, m d 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, m q /Λ QCD, m e /Λ QCD, Λ QCD costante di scala di QCD. I coefficienti di sensibilità per varie transizioni atomiche sono stati calcolati V. V. Flambaum et al., PR D69, (2004) V. V. Flambaum and A. F. Tedesco, PR C73, (2006) ln R at c K at a a a K at e m / m / m e e / QCD QCD K at q m q q / QCD QCD

48 Confronto Hg+/Cs & Yb+/Cs & Hg+/Al+ a a (2 2) / anno ( 2 4) / anno Cs / B g m / p e m p

49 Orologi Atomici vs Spettri Quasar? Constant Limit (yr -1 ) Z Method <0.4 X Clock comparisons <0.5 X Oklo reactor a <3.4 X Re decay (6.4±1.4) X Quasar spectra <1.2 X Quasar spectra a W <1 X Oklo reactor m e /m p <3 X Quasar spectra