Etude expérimentale de la partie centrale du détecteurEtude expérimentale de la partie centrale du détecteurInterférométrique d’ondes gravitationnelles VirgoInterférométrique d’ondes gravitationnelles Virgo

Nicolas ArnaudCPPM 08 avril 2002

Plan de la présentation :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

Les Ondes GravitationnellesLes Ondes Gravitationnelles

Relativité GénéraleNature géométrique de l’espace-tempscourbé par la matière

Tenseur deRiemann Courbure

Tenseur Énergie-impulsion

Matière

R- R g = T21

cG 8

4Equations

d’Einstein

Développement de la métrique • : métrique de Minkowski• h : petite perturbation |h| << 1

g = + h

Propagation d’un champ hsur un espace temps-plat à la vitesse de la lumière c

h : ondesgravitationnelles

Les Ondes GravitationnellesLes Ondes GravitationnellesEffet sur un anneau de particules-test

L L + L

LL h )(2)( tt

Modification différentielle des longueurs

Amplitude gravitationnelle

source la de distance h 1

Seules des sources astrophysiques peuvent être détectées

Les Ondes GravitationnellesLes Ondes Gravitationnelles

Pas d’expérience 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

cM G 2 R où 1 R

R 2Source

S Source

S C

Corps

Trou NoirEtoile à

neutronsSolei

lTerre

C 1 0.34 10-

6 10-9 6 2 2 cv a Luminosité C (Joseph Weber 1974)

Sources, signaux et méthodes de détectionSources, signaux et méthodes de détection• Binaires compactes spiralantesBinaires compactes spiralantes

Signal connu par développement post-newtonien (en v/c) Détection par la méthode du filtrage adapté

(Corrélation avec le signal lui-même)

Sources, signaux et méthodes de détectionSources, signaux et méthodes de détection• Signaux impulsionnelsSignaux impulsionnels Mergers Supernovae

Formes d’onde mal prédites(accessibles seulement ensimulation) modèles

Mais : grande dépendancedans les conditions initialeset dans l’évolution de lasimulation

Mise au point de filtres : robustes (efficaces pour une grande variété de signaux) non-optimaux (/ filtrage de Wiener) temps réel (1er niveau de sélection d’événements)

Sources, signaux et méthodes de détectionSources, signaux et méthodes de détection

• Autres sources potentielles Autres sources potentielles :

Mise à l’équilibre d’un trou noir excité ( 100 Mpc) formes d’onde connues utilisation du filtrage de Wiener Intérêt : détection directe d’un 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

Quelques mots sur l’analyse des donnéesQuelques mots sur l’analyse des données

• Volume important de données ~ 5 MBytes / s ~ 160 TB/an

Type de canal« Physique »

Contrôle

Monitoring

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-line300 Gflops pour les coalescences, ~ 1 Tflop pour les pulsars Filtrage de Wiener performant mais pas du tout robuste Utilisation d’une 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

Détecter en coïncidenceDétecter en coïncidencePourquoi ?• Plusieurs détecteurs en fonctionnement dans le futur

• Séparation d’un candidat OG réel d’événements de bruit non stationnaires dans un détecteur particulier• Détermination de quantités liées à la source (position) • Coïncidences avec d’autres émissions : ,

VIRGO : 3 km

LIGO : 4 km

GEO : 600 m TAMA : 300 m

AIGO : 500 m

L’amplitude détectable est une combinaison linéaire desdeux polarisations h+ et h

Réponse non uniforme pour un interféromètreRéponse non uniforme pour un interféromètre

h(t) = F+ h+(t) + F h(t)

Réduction d’un facteur ~ 2en moyenne de l’intensité

• 2 maxima ( détecteur)• 4 minima (détecteur aveugle)

Réseau Virgo + LIGORéseau 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

Coïncidences avec des détecteurs de neutrinosCoïncidences avec des détecteurs de neutrinosIdée : exploiter pour un événement proche de type supernova la triple émission :

• optique (1)• neutrinos (2)• ondes gravitationnelles (3)

(2) et/ou (1) détection de l’événement Connaissance de la position de la source et de l’instant d’arrivée des OG dans les différents détecteurs Détection facilitée des OG en diminuant les seuils

Utiliser (2) et (3) peut permettre d’obtenirdes informations sur les masses des neutrinos

• Les déterminer si elles sont dégénérées autour de l’eV

• Améliorer la limite supérieure actuelle (~ 3 eV pour e) sinon

La détection interférométriqueLa détection interférométrique

OG incidente Modification du chemin optique

Variation de lapuissance en

sortie Pdet

Sensibilité : Puissance bras des Longueur

1 h sens

Améliorations du détecteurAméliorations 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 : hsens ~ Hz /Photodiodede détection

Laser

Gain :Gain : 3000 30 50 ~ 106

10-173 10-2110-2310-22

Frange

blanche

Utilisation d’un laser depuissance de Pin = 20 WSensibilité in P / 1 h

Les Superatténuateurs (Pise)Les Superatténuateurs (Pise)

L ~ 7 mètres M ~ 1 tonnestructure en

pendule inversé

Atténuation du bruit sismique~ 1014 à 10 Hz

Fréquence derésonance ~ 0.6 Hz

Mode pendule du miroir

Le tube à vide de Virgo (LAL + Pise)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 5 10-10 mbar (spécif. : 10-8, 10-9 pour H2) très peu d’hydrocarbure dégazage H2 ~ 5 à 10 10-15 mb.l/cm2/s (spécif. : 10-14)

• 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

Les meilleurs miroirs du monde (IPN Lyon)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 > 99.995 %

• Correction du front d’onde (dépôt de multicouches d’ions) 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 !

Avant Après

Courbe de sensibilité de VirgoCourbe de sensibilité de Virgo

Minimum ~ 3 10-23 entre ~ 500 Hz et 1 kHz Hz /

«Mur sismique»

Bruit thermique

Bruit de photon

Modespianos

Bruitthermiquemiroirs

Le détecteur Virgo et le CITFLe détecteur Virgo et le CITF

Configurationactuelledes tests

Problèmessur le

systèmed’injection

P ~ 160 mW

P = 10 W

CITF et point de fonctionnementCITF 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 d’un contrôle actif du CITF

But : Contrôle longitudinal« Locking »

résonances des cavitésl ~ 10-10 – 10-11 m

Contrôle angulaire« Alignement » miroirs alignés ~10-9 – 10-7 rad

Les étapes successives du contrôleLes 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 descontrôles locaux

aucontrôle global

(sauf séparatrice)

Contrôles locaux et Contrôle GlobalContrôles locaux et Contrôle Global

Contrôles locauxau niveau de chacun des

miroirs diminuerles mouvements résiduels

de rotation : x et y

Pas d’amortissement en z

Contrôle global dudétecteur maintenir lepoint de fonctionnement

Fréquence du contrôle• longitudinal : 10 kHz• angulaire : 500 Hz

Contrôler le CITFContrôler le CITF

• Frange noire : photodiode D1 en sortie de l’interféromètre

• Recyclage : photodiode D5réflexion sur la seconde face de la lame séparatrice

Action sur le miroir Ouest

Action sur le miroir de Recyclage

D1

D5

1er contrôle du Michelson : 13 juin 20011er contrôle du Michelson : 13 juin 2001

Intervalle entredeux franges :

~ 0.5 m

Signal d’erreur

Puissanceen sortie de

l’interféromètre

Etude de la stabilité du contrôleEtude 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 contrôlesans interruptionlors du Run E0

Exemples de pertes de contrôle lors des RunsExemples de pertes de contrôle lors des Runs

Contrôle du recyclageContrôle du recyclageUn problème complexe :• deux longueurs au lieu d’une seule

• signaux couplés

• résonance étroite de la cavité de recyclage

• force applicable limitée

250 μm/s 1v mN 10 F

2F

vμm/s 1 msec 2 Δt traversée

~

Force nécessaire pouracquérir le contrôle :

Temps de traverséede la résonance :

BP contrôle< à 100 Hz

• signal D5 au niveau du bruit électronique (~ W) hors résonance de la cavité de recyclage (Plaser ~ 160 mW, Trecyclage ~ 1.5 % et R2nd face 2 10-3)

Stratégie de contrôle du recyclageStratégie de contrôle du recyclage• Agir au bon moment sur l’interféromètre Isoler la « bonne » résonance Agir le plus longtemps possible

• Simplifier l’acquisition du contrôle : Faibles vitesses recherchées Mais : 0.6 Hz (mode pendule du miroir, grand Q)

Stratégie miseen place dans leContrôle Global

Premier contrôle du CITF recyclé : 16/12/2001Premier contrôle du CITF recyclé : 16/12/2001

5.8 W

Gain ~ 70

• Frange noire moins « noire »

• Larges fluctuations de Pstockée

Faible gain de l’asservissement Défauts d’alignement l’alignement automatique est nécessaire pour progresser.

Configuration actuelle des tests sur le CITFConfiguration actuelle des tests sur le CITF

• Laser auxiliaire de puissance ~ 100 160 mW

• Acquisition simultanée du contrôle des deux longueurs : frange noire (asymétrie des bras) Puissance en sortie minimale recyclage (longueur moyenne de l’interféromètre) 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

La Folie des (ordres de) grandeurLa Folie des (ordres de) grandeur

Données du7 Mars 2002

Bruitsdu laser

Bruit de pointécouplé aux

désalignements

Contrôles angulaires

Hz

Sensibilité obtenue : ~ 5 10-20 / Hz

La Folie des (ordres de) grandeurLa Folie des (ordres de) grandeur

Sensibilité du Michelson (12/01):5 10-12 m à 500 HzHz /

Recyclage (Gain ~ 100 en moyenne) Double boucle (partage des corrections à 3 Hz)

Aujourd’hui : 4 10-15 m / ~ 7 10-16 / (bras de 6 m) Hz Hz

HzObjectif : ~ 3 10-23 / à ~ 1 kHz

Gains sûrs CITF Virgo :

500 63000 : bras des Taille

Il manque encore troisordres de grandeur…

Cavités Fabry-Perot : 30

La Folie des (ordres de) grandeurLa Folie des (ordres de) grandeur… Il reste d’autres bruits limitants sur lesquels gagner.

Le problème est qu’il 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

Correctionsdans des

bandes defréquencedonnées

Un exemple : l’alignement automatiqueUn exemple : l’alignement automatiqueMise en place de l’alignement 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 d’un facteur 100 sur la puissance reçue en sortie de l’interféromètre (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

Evolution de la sensibilité du CITFEvolution de la sensibilité du CITF

Bande de fréquenc

e

Michelson (E0)

CITF Recyclé

Gain

2 Hz

10 Hz1.1 10-9 3.8 10-

11 ~ 30

10 Hz

100 Hz1.3 10-10 1.7 10-

12 ~ 75

100 Hz

5 kHz1.9 10-10 7.0 10-

13

~ 270

Evolution du RMS (mètres)dans différentes

bandes de fréquence

ConclusionsConclusions

• Premiers contrôles de cavités suspendues Michelson simple (juin 2001) CITF recyclé (décembre 2001)

Validation des chaînes d’acquisition et de contrôle + fonctionnement satisfaisant des suspensions

• Améliorations importantes du niveau de sensibilité

• Niveau de bruit encore important Problème principal : système d’injection non disponible Limites du laser auxiliaire atteintes (puissance, stabilité)

• Potentiel significatif d’amélioration 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