1 L’été 2005 de Virgo: Un voyage entre la Toscane et Andromède... Vogüé, le 10/11/05Journées du LAPP 2005 Romain Gouaty, pour le groupe Virgo du LAPP.

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1 1 L’été 2005 de Virgo: Un voyage entre la Toscane et Andromède... Vogüé, le 10/11/05Journées du LAPP 2005 Romain Gouaty, pour le groupe Virgo du LAPP

2 2 Sommaire  Introduction : L’interféromètre Virgo  Le Commissioning de Virgo  Performances atteintes pendant l’été 2005 : Runs C6 et C7  Conclusion et perspectives

3 3 Laser 3000 m Cavité Fabry-Perot 3000 m 144 m Mode Cleaner d’entrée 10 W = 1064 nm Cellule de Pockels Modulation Miroir de recyclage Séparatrice Mode Cleaner de sortie Photodiodes du banc de détection Bras Ouest Bras Nord Mode Cleaner : nettoyer le faisceau (profil de puissance gaussien) Cavité Fabry-Perot :  30 aller-retours  chem. opt. 200 km Cavité de Recyclage : puissance x 50   bruit de photons Contrôle de la position des miroirs : « locking » Introduction Effet d’une onde gravitationnelle  Différence de longueur entre les 2 bras de l’interféromètre

4 4 Le Commissioning de Virgo Objectifs: Contrôler le full Virgo (interféromètre recyclé) Obtenir une bonne stabilité de l’interféromètre Atteindre la sensibilité nominale

5 5 Laser Bras Nord Bras Ouest - Cavité simple (Novembre 2003 - Avril 2004) : 3 runs techniques Run technique : Après chaque avancée majeure du Commissioning : prise de données de 4 ou 5 jours.  Vérification des performances de l’interféromètre (stabilité et sensibilité)  Entraînement à l’analyse de données Historique du Commissioning

6 6 - Cavité simple (Novembre 2003 - Avril 2004) : 3 runs techniques - Interféromètre recombiné (Avril 2004 - Décembre 2004) : 2 runs techniques Laser Bras Nord Bras Ouest

7 7 - Cavité simple (Novembre 2003 - Avril 2004) : 3 runs techniques - Interféromètre recombiné (Avril 2004 - Décembre 2004) : 2 runs techniques - Interféromètre recyclé (depuis fin 2004) Historique du Commissioning Laser Bras Nord Bras Ouest Cavité de recyclage

8 8 Pour maintenir les cavités résonantes et l’interféromètre verrouillé sur la frange noire :  asservissement de la position longitudinale des miroirs (précision de l’ordre du picomètre) Le Commissioning de l’interféromètre recyclé Stratégie de locking Contrôle de la différence de longueur des cavités Fabry Perot Laser 0 B1 + - B5 Miroir de recyclage Séparatrice Asservissement de la fréquence du laser B2 Un contrôle angulaire est également requis pour maintenir les miroirs bien alignés.

9 9 Position du problème : Une petite fraction de la puissance réfléchie par l’interféromètre est rétro-diffusée par la cavité mode cleaner.  Franges d’interférences parasites. Solution provisoire : Atténuation du faisceau incident.  Puissance divisée par 10. Solution finale : Installer un isolateur de Faraday  Banc d’injection en cours de remplacement (depuis fin septembre 2005) Le Commissioning de l’interféromètre recyclé Une difficulté imprévue Miroir de recyclage Cavité Mode Cleaner Lumière diffusée

10 10 Contrôle du « full Virgo » : premier objectif atteint à la fin 2004. Depuis :  Améliorations de la stabilité  Améliorations de la sensibilité Le Commissioning de Virgo : Bilan Fabry Perot Recombiné (8 W) Recyclé (0.8 W)

11 11 Le Commissioning de Virgo : Bilan Contrôle du « full Virgo » : premier objectif atteint à la fin 2004. Depuis :  Améliorations de la stabilité  Améliorations de la sensibilité Run C6 Fabry Perot Recombiné (8 W) Recyclé (0.8 W)

12 12 Le Commissioning de Virgo : Bilan Contrôle du « full Virgo » : premier objectif atteint à la fin 2004. Depuis :  Améliorations de la stabilité  Améliorations de la sensibilité Run C7 Fabry Perot Recombiné (8 W) Recyclé (0.8 W)

13 13 Les performances atteintes pendant l’été 2005

14 14 C6 (and Sun)

15 15 Organisation du run C6 Quand ? : du 29 juillet au 12 Août 2005  14 jours de prise de données, répartis en 42 shifts de 8h Préparation : Séances d’entraînement en salle de contrôle, pour chaque sous- système. Ressources humaines : Une cinquantaine de personnes (dont 9 du LAPP). Des experts pour chacun des 11 sous-systèmes, joignables par téléphone 24H/24H. Des équipes de shifts constituées de 3 personnes :  1 opérateur, pour agir sur l’interféromètre.  1 support, pour surveiller l’état de l’interféromètre.  1 coordinateur, pour superviser le déroulement du shift.

16 16 Automatisation de l’acquisition du lock Puissance dans la cavité de recyclage (unités arbitraires) Les étapes de l’automatisation Pour locker l’interféromètre, il suffit d’appuyer sur un seul bouton : Cela déclenche des centaines d’actions... et l’interféromètre est amené en science mode en 5 min ! 5 min

17 17 Suivi de l’état de l’interféromètre Indication globale sur l’état de l’interféromètre Détail pour chaque sous-système

18 18 Suivi de l’état de l’interféromètre Un message indiquant la raison pour laquelle l’indicateur est au rouge.

19 19 Stabilité du run C6 Cycle utile (Science mode): 86% Comment ce cycle utile est-il atteint ?  grâce à l’automatisation (acquisition du lock en 5 min)  grâce à la stabilité de l’interféromètre (lock le plus long: 40h) Puissance dans la cavité de recyclage (u.a.) Stabilité améliorée par la qualité de l’alignement:  Implémentation d’un alignement automatique (version simplifié pendant C6) Run C6 (août 2005) Run C5 (décembre 2004) 1 day

20 20 Sensibilité et sources de bruit pendant le run C6 Bruits de contrôle Bruits de photons et bruit électronique des photodiodes

21 21 04/08: faisceaux parasites anéantis au NE (lumière diffusée) 10/08: Réalignement du faisceau sur le mode cleaner d’entrée => réduction du bruit en puissance 10/08: Réalignement du faisceau sur le mode cleaner d’entrée => réduction du bruit en puissance 11/08: Stabilisation en puissance améliorée Horizon = distance maximale pour l’observation d’une coalescence de 2 étoiles à neutron de 1.4 masse solaire chacune. Evolution de la distance horizon pendant le run C6 Mpc Fin du run: la barre des 300 kpc (  1 million d’années-lumières) est franchie ! Sensibilité non stationnaire

22 22 Un exemple d’amélioration de la sensibilité pendant le run: Elimination de la lumière diffusée au bout de bras nord Début du run: Sensibilité avec la bosse Sensibilité sans la bosse Bosse non stationnaire (100-400 Hz) Bruit corrélé avec les variations de température au bout de bras Nord Périodicité  40 min  Origine de ce bruit non stationnaire localisée au bout du bras nord.  Un groupe commando est envoyé là-bas et découvre : De la lumière diffusée au niveau du banc optique du bras nord ! Après élimination des faisceaux parasites la bosse disparaît ! Horizon

23 23 L’analyse de données pendant le run C6 2 algorithmes de recherche de coalescences d’étoiles binaires (dont un sous la responsabilité du LAPP) fonctionnant en ligne pendant tout le run. Des injections « hardware » d’évènements, pour simuler : - des coalescences d’étoiles binaires - des bursts (supernovae) Distribution du rapport signal sur bruit MBTA (1.4,1.4) Sans veto Avec des vetos simples

24 24 C7 (et Andromède)

25 25 Statut du run C7 Organisation: du 14 au 19 Septembre 2005 (5 jours de prise de données) Ressources humaines : 27 personnes Objectif: Tester les dernières améliorations techniques (obtenues en 1 mois) juste avant l’arrêt programmé pour le remplacement du banc d’injection. Parmi les principales nouveautés : Alignement automatique implémenté sur 5/6 miroirs. Stabilité: Cycle utile: 65 % (au lieu de 86 % pour C6)  Manque de temps pour optimiser la robustesse de l’interféromètre après les dernières mises à niveau. Mais des améliorations notables de la sensibilité...

26 26 Sensibilité du run C7 Améliorations des contrôles (en particulier alignement automatique) Réduction de l’impact du bruit de photons des photodiodes Presque un ordre de grandeur de gagné jusqu’à 200 Hz Des améliorations à haute fréquence Août 2005 Septembre 2005

27 27 Horizon du run C7 Horizon compris entre 1 et 1.4 Mpc Galaxie Andromède : située à environ 800 kpc (2.6 millions d’années lumières) Maximum C6

28 28 LIGO et Virgo Hautes fréquences : plus qu’un facteur 3 à gagner pour rattraper LIGO. Fréquences intermédiaires : moins de 2 ordres de grandeur à gagner. Basses fréquences (10-20 Hz) : l’effet des suspensions commence à être visible.

29 29 Conclusion et perspectives Performances atteintes: Stabilité: 86 % de science mode pendant le run C6 Sensibilité:- horizon dépassant 1Mpc (pour les coalescences binaires 1.4/1.4 Masses Solaires) pendant le run C7 - Plus qu’un ordre de grandeur pour atteindre la sensibilité nominale entre 200 Hz et 10 kHz. Entraînement à l’analyse de données : Analyse en ligne, 1 ères définitions de Vetos. Perspectives d’amélioration à court terme: Remplacement du banc d’injection :  puissance x 10  bruit de photons réduit d’un facteur 3 Améliorations de l’alignement automatique (basses fréquences) Chasse à la lumière diffusée, aux vibrations (pompes à vide), et à tous les bruits de contrôle.

30 30 Sources de bruit pendant C7 Attention !

31 31 h =  L/L  L = Différence de longueur entre les 2 bras L = arm length Déphasage entre les faisceaux qui interfèrent: Suspended mirror Suspended mirror Beam splitter LASER ( ) Light Detection Effet d’une onde gravitationnelle sur des masses libres Pour Virgo: miroirs suspendus = masses libres  Principe de la détection par interférométrie

32 32 Distance de l’amas Virgo = 10Mpc Bruit sismique Bruit thermique Bruit de photons Evénements attendus : Coalescences (étoiles à neutrons, trous noirs) Plusieurs/an dans 100 Mpc ? Supernovae 1/an dans 10 Mpc ? Pulsars Plusieurs/an dans la Galaxie ? Sources d’ondes gravitationnelles et sensibilité nominale

33 33 Vibrations acoustiques + fluctuations d’indice dans le tube  solution : faisceau laser et miroir placés sous vide (10 -8 mbar) Bruit sismique : basses fréquences Utilisation de Super-Atténuateurs (série de pendules en cascade)  limite repoussée à quelques Hz Bruit thermique : mouvement aléatoire des miroirs relié à la dissipation d’énergie thermique Bruit de photons (hte fréquence) : incertitude sur le dénombrement des photons qui frappent la photodiode Bruit de pendule (  100 Hz) Modes violons (résonances hte fréquence) Bruit de miroir (100-200 Hz) 33 Bruits intrinsèques de Virgo

34 34 Look for events in coincidence Combined analysis is needed to extract information on the source GEO VIRGO TAMA AIGO LIGO Vers un réseau mondial d’interféromètres

35 35 Bras de 600 m Développement de nouvelles techniques –Recyclage du signal –Suspensions monolithiques (pour réduire le bruit thermique) Recyclage du signal Recyclage de la puissance Bras de 600 m (pas de Fabry Perot) Laser GEO (Royaume-Uni, Allemagne)

36 36 Démarrage du Commissioning en 1997 1 ère expérience à atteindre une sensibilité h ~ 3.10 -21 Hz –1/2 Limité par la taille des bras (300 m) 10 -21 design TAMA (Japon)

37 37 2 sites: –Hanford (Washington): 2 interféromètres (2 km et 4 km) –Livingston (Louisiana): 1 interféromètre de 4 km Démarrage du Commissioning en 1999 Les trois interféromètres sont opérationnels Runs scientifiques : –S1 (Août 2002) –S2 (Mars-Avril 2003) –S3 (Nov-Dec 2003) –S4 (Fev-Mars 2005) –Run de 6 mois cette année LIGO