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L’été 2005 de Virgo:

Un voyage entre la Toscane et Andromède ...

Vogüé, le 10/11/05 Journées du LAPP 2005

Romain Gouaty, pour le groupe Virgo du LAPP

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Sommaire

Introduction : L’interféromètre Virgo

Le Commissioning de Virgo

Performances atteintes pendant l’été 2005 : Runs C6 et C7

Conclusion et perspectives

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Laser3000 m

Cavité Fabry-Perot30

00 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

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Le Commissioning de Virgo

Objectifs:

• Contrôler le full Virgo (interféromètre recyclé)

• Obtenir une bonne stabilité de l’interféromètre

• Atteindre la sensibilité nominale

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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

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Historique du Commissioning

- Cavité simple (Novembre 2003 - Avril 2004) : 3 runs techniques

- Interféromètre recombiné (Avril 2004 - Décembre 2004) : 2 runs techniques

Laser

Bras Nord

Bras Ouest

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- 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

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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

Laser0

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.

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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

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• 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)

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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)

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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 PerotRecombiné (8 W)

Recyclé (0.8 W)

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Les performances atteintes pendant l’été 2005

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C6 (and Sun)

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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.

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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

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Suivi de l’état de l’interféromètre

Indication globale sur l’état de

l’interféromètre

Détail pour chaque sous-système

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Suivi de l’état de l’interféromètre

Un message indiquant la raison pour laquelle l’indicateur est au rouge.

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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

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Sensibilité et sources de bruit pendant le run C6

Bruits de contrôle

Bruits de photons et bruit électronique des photodiodes

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04/08: faisceaux parasites anéantis au NE (lumière diffusée)

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 puissance11/08: Stabilisation en puissance améliorée

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

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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

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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

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C7 (et Andromède)

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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...

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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

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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

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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.

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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.

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Sources de bruit pendant C7

Attention !

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h = L/L

L = Différence de longueur entre les 2 bras

L = arm length

Déphasage entre les faisceaux qui interfèrent:

2

hLL 2

hLL

Suspended mirror

Suspended mirror

Beam splitter

LASER ()

LightDetection

• Effet d’une onde gravitationnelle sur des masses libres

• Pour Virgo: miroirs suspendus = masses libres

hL4

Principe de la détection par interférométrie

32Distance de l’amas Virgo = 10Mpc

Bruit sismiqueBruit thermiqueBruit 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

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• 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)

33Bruits intrinsèques de Virgo

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• 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

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• 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)

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• Démarrage du Commissioning en 1997

• 1ère 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)

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• 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