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Etude expérimentale de la partie centrale du détecteur Interférométrique dondes gravitationnelles Virgo Nicolas Arnaud CPPM 08 avril 2002.

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1 Etude expérimentale de la partie centrale du détecteur Interférométrique dondes gravitationnelles Virgo Nicolas Arnaud CPPM 08 avril 2002

2 Plan de la présentation : Rechercher les ondes gravitationnelles Les principales sources astrophysiques attendues Des méthodes de détection très variées De nécessaires coïncidences entre détecteurs Description et statut actuel du détecteur Virgo Résultats expérimentaux obtenus sur sa partie centrale (CITF) Premiers contrôles de cavités suspendues Stabilité et qualité du contrôle Courbes de sensibilité Du CITF au détecteur Virgo complet : premier bilan du travail de test sur le CITF Conclusion

3 Les Ondes Gravitationnelles Relativité Générale Nature géométrique de lespace-temps courbé par la matière Tenseur de Riemann Courbure Tenseur Énergie-impulsion Matière R - R g = T Equations dEinstein Développement de la métrique : métrique de Minkowski h : petite perturbation |h| << 1 g = + h Propagation dun champ h sur un espace temps-plat à la vitesse de la lumière c h : ondes gravitationnelles

4 Les Ondes Gravitationnelles Effet sur un anneau de particules-test L L + L Modification différentielle des longueurs Amplitude gravitationnelle

5 Seules des sources astrophysiques peuvent être détectées Les Ondes Gravitationnelles Pas dexpérience de Hertz ni de source terrestre suffisante Ingrédients pour une bonne émission : grande asymétrie a vitesses relativistes ( v/c ~ 1) compacité C ~ 1 Emission à deux fois la fréquence naturelle du système CorpsTrou NoirEtoile à neutronsSoleilTerre C (Joseph Weber 1974)

6 Sources, signaux et méthodes de détection Binaires compactes spiralantes Signal connu par développement post-newtonien (en v/c) Détection par la méthode du filtrage adapté (Corrélation avec le signal lui-même)

7 Sources, signaux et méthodes de détection Signaux impulsionnels Mergers Supernovae Formes donde mal prédites (accessibles seulement en simulation) modèles Mais : grande dépendance dans les conditions initiales et dans lévolution de la simulation Mise au point de filtres : robustes (efficaces pour une grande variété de signaux) non-optimaux (/ filtrage de Wiener) temps réel (1er niveau de sélection dévénements)

8 Sources, signaux et méthodes de détection Autres sources potentielles Autres sources potentielles : Mise à léquilibre dun trou noir excité ( 100 Mpc) formes donde connues utilisation du filtrage de Wiener Intérêt : détection directe dun trou noir + validation du modèle théorique Pulsars ( Galaxie) Signaux faibles mais quasi-périodiques utilisation du filtrage adapté (Wiener) intégration sur une longue durée (~ année) Fonds stochastiques Origine cosmologique (Big Bang) Superposition incohérente de signaux similaires

9 Quelques mots sur lanalyse des données Volume important de données ~ 5 MBytes / s ~ 160 TB/an Type de canal« Physique »ContrôleMonitoring Fraction du volume de données correspondant 2 %61 %37 % Stockage des données au CCPN et à Bologne (INFN) Grande puissance de calcul nécessaire pour le calcul on-line 300 Gflops pour les coalescences, ~ 1 Tflop pour les pulsars Filtrage de Wiener performant mais pas du tout robuste Utilisation dune banque de filtres (fonctionnant en parallèle) pour détecter tous les signaux possibles. Grande variété de bruits de mesure (+ transitoires) Il faut faire des coïncidences pour valider une détection Book Keeping Database en préparation

10 Détecter en coïncidence Pourquoi ? Plusieurs détecteurs en fonctionnement dans le futur Séparation dun candidat OG réel dévénements de bruit non stationnaires dans un détecteur particulier Détermination de quantités liées à la source (position) Coïncidences avec dautres émissions :, VIRGO : 3 km LIGO : 4 km GEO : 600 m TAMA : 300 m AIGO : 500 m

11 Lamplitude détectable est une combinaison linéaire des deux polarisations h + et h Réponse non uniforme pour un interféromètre h(t) = F + h + (t) + F h (t) Réduction dun facteur ~ 2 en moyenne de lintensité 2 maxima ( détecteur) 4 minima (détecteur aveugle)

12 Réseau Virgo + LIGO Réponses spatiales à direction fixée Ressemblances entre les cartes des deux détecteurs LIGO Complémentarité Virgo / LIGO Potentiel de détection en « OU » (au moins 1 / 3) Coïncidences triples peu probables

13 Coïncidences avec des détecteurs de neutrinos Idée : exploiter pour un événement proche de type supernova la triple émission : optique (1) neutrinos (2) ondes gravitationnelles (3) (2) et/ou (1) détection de lévénement Connaissance de la position de la source et de linstant darrivée des OG dans les différents détecteurs Détection facilitée des OG en diminuant les seuils Utiliser (2) et (3) peut permettre dobtenir des informations sur les masses des neutrinos Les déterminer si elles sont dégénérées autour de leV Améliorer la limite supérieure actuelle (~ 3 eV pour e ) sinon

14 La détection interférométrique OG incidente Modification du chemin optique Variation de la puissance en sortie P det Sensibilité :

15 Améliorations du détecteur Augmenter la longueur des bras : 1 m 3 km Ajouter des Fabry-Perot (Finesse = 50 Gain = 30) Ajouter un miroir de recyclage (1 kW sur la séparatrice) Sensibilité : Sensibilité : h sens ~ Photodiode de détection Laser Gain : ~ Frange blanche Utilisation dun laser de puissance de P in = 20 W Sensibilité

16 Les Superatténuateurs (Pise) L ~ 7 mètres M ~ 1 tonne structure en pendule inversé Atténuation du bruit sismique ~ à 10 Hz Fréquence de résonance ~ 0.6 Hz Mode pendule du miroir

17 Le tube à vide de Virgo (LAL + Pise) 400 modules de 15 m ( = 1.2 m) construction terminée (CNIM) installation des bras septembre 2002 Résultats < aux spécifications : vide limite ~ 3 à mbar (spécif. : 10 -8, pour H 2 ) très peu dhydrocarbure dégazage H 2 ~ 5 à mb.l/cm 2 /s (spécif. : ) 4 grandes vannes pour fermer les extrémités des bras Tubes équipés de diaphragmes pour réduire le bruit de lumière diffusée au dixième de la sensibilité nominale

18 Les meilleurs miroirs du monde (IPN Lyon) Miroirs de pertes très faibles : Diffusion < 5 ppm et Absorption < 1 ppm Miroirs de fond ultra-réfléchissants : Réflexion > % Correction du front donde (dépôt de multicouches dions) très homogène sur 350 mm de Coater unique au monde en salle blanche classe 1 Rayon de courbure ~ 3450 m flèche de 4.5 m au centre ! AvantAprès

19 Courbe de sensibilité de Virgo Minimum ~ entre ~ 500 Hz et 1 kHz «Mur sismique» Bruit thermique Bruit de photon Modes pianos Bruit thermique miroirs

20 Le détecteur Virgo et le CITF Configuration actuelle des tests Problèmes sur le système dinjection P ~ 160 mW P = 10 W

21 CITF et point de fonctionnement Sensibilité maximale : Michelson réglé sur la frange noire Cavité de recyclage résonante (puissance stockée maximale) Zone de fonctionnement très étroite Or : mouvements résiduels basse fréquence des miroirs Nécessité dun contrôle actif du CITF But : Contrôle longitudinal « Locking » résonances des cavités l ~ – m Contrôle angulaire « Alignement » miroirs alignés ~10 -9 – rad

22 Les étapes successives du contrôle Diminution des mouvements résiduels au niveau de chacun des miroirs Contrôles Locaux Premier alignement des miroirs Acquisition des résonances des cavités Maintien du point de fonctionnement Mise en place du contrôle angulaire Alignement Automatique Passage des contrôles locaux au contrôle global (sauf séparatrice)

23 Contrôles locaux et Contrôle Global Contrôles locaux au niveau de chacun des miroirs diminuer les mouvements résiduels de rotation : x et y Pas damortissement en z Contrôle global du détecteur maintenir le point de fonctionnement Fréquence du contrôle longitudinal : 10 kHz angulaire : 500 Hz

24 Contrôler le CITF Frange noire : photodiode D1 en sortie de linterféromètre Recyclage : photodiode D5 réflexion sur la seconde face de la lame séparatrice Action sur le miroir Ouest Action sur le miroir de Recyclage D1 D5

25 1er contrôle du Michelson : 13 juin 2001 Intervalle entre deux franges : ~ 0.5 m Signal derreur Puissance en sortie de linterféromètre

26 Etude de la stabilité du contrôle 2 runs (72 h) en configuration Michelson E0 : septembre 2001 E1 : décembre 2001 Pertes de locking : 4 pour E0 2 pour E1 Cycle utile : ~ 95 % pour E0 ~ 85 % pour E1 51 heures de contrôle sans interruption lors du Run E0

27 Exemples de pertes de contrôle lors des Runs

28 Contrôle du recyclage Un problème complexe : deux longueurs au lieu dune seule signaux couplés résonance étroite de la cavité de recyclage force applicable limitée Force nécessaire pour acquérir le contrôle : Temps de traversée de la résonance : BP contrôle < à 100 Hz signal D5 au niveau du bruit électronique (~ W) hors résonance de la cavité de recyclage (P laser ~ 160 mW, T recyclage ~ 1.5 % et R 2nd face )

29 Stratégie de contrôle du recyclage Agir au bon moment sur linterféromètre Isoler la « bonne » résonance Agir le plus longtemps possible Simplifier lacquisition du contrôle : Faibles vitesses recherchées Mais : 0.6 Hz (mode pendule du miroir, grand Q) Stratégie mise en place dans le Contrôle Global

30 Premier contrôle du CITF recyclé : 16/12/ W Gain ~ 70 Frange noire moins « noire » Larges fluctuations de P stockée Faible gain de lasservissement Défauts dalignement lalignement automatique est nécessaire pour progresser.

31 Configuration actuelle des tests sur le CITF Laser auxiliaire de puissance ~ mW Acquisition simultanée du contrôle des deux longueurs : frange noire (asymétrie des bras) Puissance en sortie minimale recyclage (longueur moyenne de linterféromètre) Puissance stockée maximale Maintien de la frange noire par action sur le miroir ouest Maintien de la longueur de recyclage par : action sur le miroir de recyclage pour les fréquences < 3 Hz action sur la fréquence du laser au-delà Choix de la référence la plus stable

32 La Folie des (ordres de) grandeur Données du 7 Mars 2002 Bruits du laser Bruit de pointé couplé aux désalignements Contrôles angulaires Hz

33 Sensibilité obtenue : ~ / La Folie des (ordres de) grandeur Sensibilité du Michelson (12/01): m à 500 Hz Recyclage (Gain ~ 100 en moyenne) Double boucle (partage des corrections à 3 Hz) Aujourdhui : m / ~ / (bras de 6 m) Objectif : ~ / à ~ 1 kHz Gains sûrs CITF Virgo : Il manque encore trois ordres de grandeur… Cavités Fabry-Perot : 30

34 La Folie des (ordres de) grandeur … Il reste dautres bruits limitants sur lesquels gagner. Le problème est quil est difficile de savoir a priori ce que ces améliorations vont réellement apporter. Gains au niveau des contrôles locaux Alignement automatique Utilisation du Mode-Cleaner de sortie Amélioration de la stabilité du laser Couverture du banc optique auxiliaire Isolation acoustique laser auxiliaire laser final (pour Virgo) fréquence puissance pointé Diminution des bruits électroniques Répartition fréquentielle de la correction La sensibilité actuelle est difficile à extrapoler à Virgo Corrections dans des bandes de fréquence données

35 Un exemple : lalignement automatique Mise en place de lalignement automatique : Réduction des fluctuations de la puissance stockée Diminution des couplages entre les fluctuations du laser et les désalignements des miroirs Gains en sensibilité au-delà de ~ 10 Hz Utilisation du mode cleaner de sortie Gain dun facteur 100 sur la puissance reçue en sortie de linterféromètre (changement de photodiode) Amélioration de deux ordres de grandeur de la sensibilité autour du kHz (là ou elle est limitée par le bruit de la photodiode de sortie). Gains difficiles à quantifier précisément Gains importants mais localisés dans une bande de fréquence particulière où le bruit était limitant

36 Evolution de la sensibilité du CITF Bande de fréquence Michelson (E0) CITF Recyclé Gain 2 Hz 10 Hz ~ Hz 100 Hz ~ Hz 5 kHz ~ 270 Evolution du RMS (mètres) dans différentes bandes de fréquence

37 Conclusions Premiers contrôles de cavités suspendues Michelson simple (juin 2001) CITF recyclé (décembre 2001) Validation des chaînes dacquisition et de contrôle + fonctionnement satisfaisant des suspensions Améliorations importantes du niveau de sensibilité Niveau de bruit encore important Problème principal : système dinjection non disponible Limites du laser auxiliaire atteintes (puissance, stabilité) Potentiel significatif damélioration la fin des tests (juin) En particulier : alignement automatique Début du commissioning de Virgo : janvier 2003 Première prise de données physiques : prévue pour fin 2003


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