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Virgo Collaboration: partecipazione allo sviluppo della rete di rivelatori
interferometrici di onde gravitazionali
G.A.Prodi per il Gruppo Virgo Padova-Trento
Consiglio di Sezione di Padova, 9 Aprile 2009
Indice
• Rivelatori interferometrici• Network di rivelatori• Attivita’ del gruppo Virgo PD-TN• Advanced Virgo• Partecipazione alla realizzazione di Advanced Virgo
Partecipanti
Staff: Prodi 60%, Vedovato 60%, Taffarello 30%
Borsisti: V.Re 100%, N.Liguori 50%
Dottorando: M. Drago 100%
Supporto tecnologi e tecnici TN e PD da definire.
VIRGO
VIRGO at EGO Site
• LAPP – Annecy
• NIKHEF – Amsterdam
• GPG - Birmingham
• RMKI - Budapest
• INFN – Firenze-Urbino
• INFN – Frascati
• INFN – Genoa
• LMA – Lyon
• INFN – Napoli
• OCA - Nice
• LAL – Orsay
• APC – Paris
• INFN – Padova-Trento
• INFN – Perugia
• INFN – Pisa
• INFN – Roma 1
• INFN – Roma 2
• POLGRAV – Warsav
V
V
V
Manpower: 100 physicists, 100 technicalOverall cost: 76 MEuro INFN-CNRS + 15 MEuro INFN for site preparation
G.Prodi, Experimental Workshop, Dipartimento di Fisica, UniTN, 9 maggio 20084
Detection Principle
Figure: M.Lorenzini
LL
L/L < 10 -21
Expected from astronomical sources(audio band)
Effect of a sinusoidal gravitational wave going through the slide on the space-time frame and on a circular distribution of free masses
G.Prodi, Experimental Workshop, Dipartimento di Fisica, UniTN, 9 maggio 20085
Operating Detectors
Two detectors fully developed:Resonant Masses Interferometers
Figure: S. Reid
Controlli attivi mantengono • in risonanza (10-12 m rms) • allineate (10-9 rad rms)le cavità Fabry-Perot dei bracci e la cavita’ di power recycling
1 kW20 kW
20 kW
7 W
Power
The noise sources
Padova , Marzo , 2009 F. Ricci – La Sapienza –Roma
Curva di sensibilità
Thermal Shot
Seismic
Noise Budget
2e-19m / Hz
Network of interferometers
TAMA
600 m
300 m
4 & 2 km
4 km
3 km
Agreement between LIGO Scientific Collaboration & Virgo for:common data analysis, joint observations, plan of advanced detectors
TAMA 300
AURIGA NAUTILUS EXPLORER
GEO600
LIGO
VIRGO
Virgo
VIRGO+ & eLIGO+ 2010
Advanced Network
2014
VIRGO & LIGO 2007
NS-NS NS-BH BH-BH
Event Rate 3/yr - 4/day 1/yr - 6/day 3/month - 30/day Range (Mpc) 300 750 z=0.45
Science case for next generation detectors:
Reconstruction of wavefront to pinpoint the source
measure signal parameterspolarization amplitude and waveforms
Virgo role in the network
False alarm rejection by requirng coherence at distant sites
Longer observation time, better sky coverage
• only detector of comparable sensitivity improve the network• the LIGOs are built as parallel as possible: incomplete GW information
Virgo is necessary to make astrophysics
Attività di ricerca del gruppo Virgo PD-TN
Analisi dati fatto: ricerca di onde gravitazionali transienti nella banda di alta
frequenza (2-6 kHz) durante la prima osservazione congiunta LIGO-Virgo (2007)
• in corso: sviluppo di pipeline di analisi per la ricostruzione del segnale (direzione sorgente, forme d’onda, polarizzazioni)
prossimo: ricerca di segnali transienti su tutta la banda 60 Hz – 6 kHz prossima osservazione congiunta eLIGO Virgo+ (2009-2011)
Hardware• in corso: R&D dissipazioni meccaniche di campioni di specchi e
modellazione numerica. Finanziamento PRIN 2007, contiguo ad attivita’ DUAL R&D.
proposta: realizzazione di sottosistemi per Advanced Virgo. E’ una richiesta della Collaborazione Virgo alla nostra unita’.
PD-TN search for GW bursts
PD-TN search for short transient grav. waves (<1 s duration) in the 1.3-6kHz band:• Virgo and LIGO have similar sensitivities • Targetting lower mass astrophysical sources NS instabilities, NS-NS mergers, SN, BH ring-down and BH-BH merger < 8 MSUN
H1, H2, L1, V1
F. Salemi, 18 December '08 – Maryland LSC/Virgo Meeting
High Freq. null result
S5Y1, 2005-6 S5Y2/VSR1,2006-7
Combined2005-7
SG1451Hz Q9
SG5000Hz Q9
No calibration systematics taken into account here
PRELIMINARYUPPER LIMITSpaper in preparation
Reconstruction of GW signal parameters
R&D on algorithms to set sky error regions
PRELIMINARY
Angolo di errore, deg
Distribuzione cumulativa
R&D dissipazioni di specchi
• Le prestazioni di Advanced Virgo saranno limitate nella banda di massima sensibilità (40-400 Hz) dal rumore termico dovuto al coating degli specchi
L’R&D finanziato PRIN2007 ha come obiettivi :• comparazione fra procedure di coating• Studio del bonding fra specchio e sospensione.
I risultati probabilmente arriveranno piu’ a lungo periodo…Partecipanti italiani:Urbino-FI, PD-TN, PI PG, GE
frequency
Cryogenic test facility at LNL
Risultati sperimentali
3 dischi di silicio sp. 0.3 mm incollati con il metodo del direct bonding
Dalle nostre misure preliminari
0 50 100 150 200 250
1E-6
1E-5
1E-4
Loss
Ang
le
Temperature [K]
695 Hz 896 Hz 4840 Hz 4845 Hz 6825 Hz
310Bond
210Bond
Richieste per Dual
R&D dissipazioni meccaniche: Silicio
• misurato angolo di perdita di wafer silicio 10-8 rad a 4K
• prime prove criogeniche su wafers di silicio bondati in corso
• utilita’ anche per interferometri
1 10 1001E-6
1E-5
3E-5
Coat
ing
Loss
Ang
leTemperature [K]
ModeIV: 776 Hz Mode V: 1285 Hz ModeVI : 1921 Hz
•Prime misure in collaborazione con Glasgow (UK) Jena (D)
Dissipazioni meccaniche di coating ottici su Si
100nm SiO2 on monocrystalline Si
Mode IV
Mode V
Mode VI
510CoatingPer Dual ottico viene richiesto (preliminare)
43 10102
SiOCoating
R&D dissipazioni meccaniche: specchi
VIRGO ADVANCEDCONFIGURAZIONE OTTICA
Signal Recycling
Cavità non degeneri di ricircolo di potenza
Fascio di luce più esteso sugli specchi
AdV BASELINE - SUMMARY
heavier mirrors(42 kg)
high finesse (≈1000)
larger beam waist
DC detection
signal recycling
new IPtilt control
new payload
fused silicasuspensions
high power SSL(200 W)
Padova , . Marzo , 2009 F. Ricci – La Sapienza –Roma
AdV Review - November 3rd, 2008 23
Virgo Super Attenuator
Passive attenuation
Active Controls
• ITF is operated as a resonant null instrument– FP cavities locked– Recycling cavity locked– Output on the dark fringe
• Extract GW signal from the correction signals (low freq.) and from residual fringe motion (high freq.)
• Stringent requirements: rms mirror motion not to exceed 10-11 m
• Mirror residual motion (normal modes of the suspension, Earth crust tidal and thermal strain) ~10-3 m
• Required dynamic range of the control system: >109
Can’t be done in a single stepCan’t be done in a single step
Hierarchical Active Controls on SA during operation
• Use of local sensors to damp the suspension resonances
• Use the ITF output as a correction signal: split it in bands, use actuators hierarchically
– Inertial Platform : 1 mm 0.1 mm
– Marionette: 1 mm 1 nm
– Mirror: 1 nm 10-12 m
ADC DSP DAC
Actuators
Accelerometers for inertial damping SA: Top Inertial Platform
positionsensors
27
Last stage and Payload
Piero Rapagnani3/11/2008
The role of the Last Stage Suspension is to compensate the residual seismic noise and to steer the optical components maintaining the relative position of the interferometer mirrors.
Payload Local Control
• Sistema di controllo attivo assetto della marionetta e dello specchio (posizione 1e-7m, allineamento 1e-7 rad) rispetto al laboratorio.
• Implementato da sistema di leve ottiche:
29
Payload Local Control Tests on Monolithic Payload Prototype
y
xz
Piero Rapagnani3/11/2008
Contributo PD-TN al Payload Local Control
Ad oggi il sistema di leve ottiche viene allineato a mano. Progettazione e realizzazione del sistema per il controllo
remoto dei microposizionatori dei componenti delle leve ottiche:
• Accoppiare i motori alle slitte• Sviluppo della logica di controllo dei motori…
Impegno previsto per il servizio elettronico dell’ordine di 6 mesi uomo per il prototipo e 3 mesi uomo per la produzione di tutti gli esemplari. Possibili richieste di supporto al servizio meccanico.
Test del prototipo a LNL
Inizio lavoro: fine 2009
Contributo PD-TN al Super-Attenuatore
Rifare il backplane e sistema di controllo dei motori in vuoto per la taratura di caratteristiche meccaniche in vari stadi del Super Attenuatore
Impegno previsto per il servizio elettronico dell’ordine di 6 mesi uomo per il prototipo e 3 mesi uomo per la produzione di tutti gli esemplari.
Inizio lavoro: fine 2009
Il servizio elettronico di Trento puo’ probabilmente farsi carico di uno di questi contributi.
• Le informazioni di distribuzione spaziale dell’intensita’ e fase del fronte d’onda del fascio in uscita dall’interferometro sono preziosissime per la diagnostica dell’interferometro.
Sviluppo di una Phase Camera
B1s
ref. beam
Un prototipo di tale “phase camera” e’ stato sviluppato, ma ha problemi di riproducibilita’.
La riprogettazione e la realizzazione di pochi esemplari di phase camera richiede competenze di elettronica a RF (essenzialmente una demodulazione a 80 MHz). Sto attivamente cercando il supporto di un fisico/ingegnere esperto ed eventualmente uno studente. Probabilmente si tratta di un impegno di qualche mese-uomo.
Schema di massima della phase camera