L’été 2005 de Virgo: Un voyage entre la Toscane et Andromède ...

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

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

3. Introduction Effet d’une onde gravitationnelle  Différence de longueur entre les 2 bras de l’interféromètre Bras Ouest Mode Cleaner d’entrée Cavité Fabry-Perot 3000 m Cellule de Pockels Modulation Séparatrice Bras Nord 144 m Laser 3000 m 10 W  = 1064 nm Miroir de recyclage Mode Cleaner de sortie Photodiodes du banc de détection 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 »

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

5. Historique du Commissioning - 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 Bras Ouest Bras Nord Laser

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

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

8. + Miroir de recyclage Séparatrice Laser - 0 B5 B2 Contrôle de la différence de longueur des cavités Fabry Perot B1 Asservissement de la fréquence du laser Le Commissioning de l’interféromètre recyclé Stratégie de locking 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) Un contrôle angulaire est également requis pour maintenir les miroirs bien alignés.

9. Le Commissioning de l’interféromètre recyclé Une difficulté imprévue 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) Lumière diffusée Cavité Mode Cleaner Miroir de recyclage

10. 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 Fabry Perot Recombiné (8 W) Recyclé (0.8 W)

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 Fabry Perot Recombiné (8 W) Recyclé (0.8 W) Run C6

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 Fabry Perot Recombiné (8 W) Recyclé (0.8 W) Run C7

13. Les performances atteintes pendant l’été 2005

14. C6 (and Sun)

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 coordinateur, pour superviser le déroulement du shift.  1 opérateur, pour agir sur l’interféromètre.  1 support, pour surveiller l’état de l’interféromètre.

16. Automatisation de l’acquisition du lock 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 ! Puissance dans la cavité de recyclage (unités arbitraires) Les étapes de l’automatisation 5 min

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

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

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 stabilitéde l’interféromètre (lock le plus long: 40h) Puissance dans la cavité de recyclage (u.a.) Run C6 (août 2005) Run C5 (décembre 2004) Stabilité améliorée par la qualité de l’alignement:  Implémentation d’un alignement automatique (version simplifié pendant C6) 1 day

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

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

22. Après élimination des faisceaux parasites la bosse disparaît ! Horizon Un exemple d’amélioration de la sensibilité pendant le run: Elimination de la lumière diffusée au bout de bras nord Bruit corrélé avec les variations de température au bout de bras Nord Début du run: Sensibilité avec la bosse Sensibilité sans la bosse Bosse non stationnaire (100-400 Hz) 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 !

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) Avec des vetos simples Sans veto

24. C7 (et Andromède)

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

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

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. 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, 1ères 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. Sources de bruit pendant C7 Attention !

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

32. Sources d’ondes gravitationnelles et sensibilité nominale 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 ? Distance de l’amas Virgo = 10Mpc

33. Modes violons (résonances hte fréquence) Bruit de miroir (100-200 Hz) 33 Bruits intrinsèques de Virgo • 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)

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

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

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

37. LIGO • 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