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Lété 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
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Sommaire

• Introduction Linterféromètre Virgo
• Le Commissioning de Virgo
• Performances atteintes pendant lété 2005 Runs
  C6 et C7
• Conclusion et perspectives

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Introduction
Effet dune onde gravitationnelle ? Différence de
longueur entre les 2 bras de linterféromètre
Bras Ouest
Mode Cleaner dentrée
Cavité Fabry-Perot
3000 m
Cellule de Pockels Modulation
Séparatrice
144 m
Bras Nord
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 
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Le Commissioning de Virgo

• Objectifs
• Contrôler le full Virgo (interféromètre recyclé)
• Obtenir une bonne stabilité de linterféromètre
• Atteindre la sensibilité nominale

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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 linterféromètre (stabilité et
sensibilité) ? Entraînement à lanalyse de
données
Bras Ouest
Bras Nord
Laser
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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
Bras Ouest
Bras Nord
Laser
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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 -
Interféromètre recyclé (depuis fin 2004)
Bras Ouest
Bras Nord
Laser
Cavité de recyclage
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Le Commissioning de linterféromètre
recyclé Stratégie de locking
Pour maintenir les cavités résonantes et
linterféromètre verrouillé sur la frange noire
? asservissement de la position longitudinale
des miroirs (précision de lordre du picomètre)
Un contrôle angulaire est également requis pour
maintenir les miroirs bien alignés.
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Le Commissioning de linterféromètre recyclé Une
difficulté imprévue

• Position du problème
• Une petite fraction de la puissance réfléchie
  par linterféromètre est rétro-diffusée par la
  cavité mode cleaner.
• ? Franges dinterférences parasites.
• Solution provisoire
• Atténuation du faisceau incident.
• ? Puissance divisée par 10.
• Solution finale Installer un isolateur de
  Faraday
• ? Banc dinjection en cours de remplacement
  (depuis fin septembre 2005)

Lumière diffusée
Cavité Mode Cleaner
Miroir de recyclage
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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

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

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

Fabry Perot
Recombiné (8 W)
Recyclé (0.8 W)
Run C7
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Les performances atteintes pendant lété 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 dentraînement 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 linterféromètre.
? 1 support, pour surveiller létat de
linterféromètre.
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Automatisation de lacquisition du lock
Pour locker linterféromètre, il suffit dappuyer
sur un seul bouton Cela déclenche des centaines
dactions ... et linterféromètre est amené en
science mode en 5 min !
Puissance dans la cavité de recyclage (unités
arbitraires)
Les étapes de lautomatisation
5 min
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Suivi de létat de linterféromètre
Indication globale sur létat de linterféromètre
Détail pour chaque sous-système
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Suivi de létat de linterféromètre
Un message indiquant la raison pour laquelle
lindicateur 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 lautomatisation
(acquisition du lock en 5 min) ? grâce à la
stabilité de linterféromètre (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
lalignement ? Implémentation dun alignement
automatique (version simplifié pendant C6)
1 day
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Sensibilité et sources de bruit pendant le run C6
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Evolution de la distance horizon pendant le run C6
Horizon distance maximale pour lobservation
dune coalescence de 2 étoiles à neutron de 1.4
masse solaire chacune.
Fin du run la barre des 300 kpc (? 1 million
dannées-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 dentrée gt réduction du bruit en
puissance
11/08 Stabilisation en puissance améliorée
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Un exemple damélioration 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 !
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Lanalyse de données pendant le run C6

• 2 algorithmes de recherche de coalescences
  détoiles binaires (dont un sous la
  responsabilité du LAPP) fonctionnant en ligne
  pendant tout le run.
• Des injections  hardware  dévènements, pour
  simuler
• - des coalescences détoiles binaires
• - des bursts (supernovae)

Distribution du rapport signal sur bruit MBTA
(1.4,1.4)
Avec des vetos simples
Sans veto
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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
  larrêt programmé pour le remplacement du banc
  dinjection.
• 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 linterféromètre après les dernières mises à
  niveau.
• Mais des améliorations notables de la
  sensibilité...

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Sensibilité du run C7

• Presque un ordre de grandeur de gagné jusquà
  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
Maximum C6
Galaxie Andromède située à environ 800 kpc (2.6
millions dannées lumières)
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LIGO et Virgo

• Hautes fréquences plus quun facteur 3 à
  gagner pour rattraper LIGO.
• Fréquences intermédiaires moins de 2 ordres de
  grandeur à gagner.
• Basses fréquences (10-20 Hz) leffet 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 quun ordre de grandeur pour atteindre la
  sensibilité nominale entre 200 Hz et 10 kHz.
• Entraînement à lanalyse de données Analyse en
  ligne, 1ères définitions de Vetos.
• Perspectives damélioration à court terme
• Remplacement du banc dinjection
• ? puissance x 10 ? bruit de photons réduit dun
  facteur 3
• Améliorations de lalignement 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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Principe de la détection par interférométrie

• Effet dune 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
??
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Sources dondes 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 lamas Virgo 10Mpc
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33
Bruits intrinsèques de Virgo

• Vibrations acoustiques fluctuations dindice
  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 dénergie
  thermique
• Bruit de photons (hte fréquence) incertitude
  sur le dénombrement des photons qui frappent la
  photodiode

Bruit de pendule (? 100 Hz)
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Vers un réseau mondial dinterféromètres

• Look for events in coincidence
• Combined analysis is needed to extract
  information on the source

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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
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TAMA (Japon)

• 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)

design
10-21
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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