DA VIRGO AD ADVANCED VIRGO: UN BALZO IN AVANTI … · • Sensibilità migliorata usando potenze...

DA VIRGO AD ADVANCED VIRGO: UN

BALZO IN AVANTI NELLA RIVELAZIONE DI

ONDE GRAVITAZIONALI

Matteo Lorenzini - Università di Roma Tor Vergata

per conto della collaborazione Virgo

ONDE

GRAVITAZIONALI

Matteo Lorenzini XCIX SIF 2013 Trieste - Venerdì 27 settembre 2

ASTRONOMIA GRAVITAZIONALE:

UNA NUOVA FINESTRA SUL COSMO

ONDE

GRAVITAZIONALI


Le sorgenti di onde gravitazionali (OG) sono caratterizzate da: • Compattezza

• Asimmetria (quadrupolare)

• Rapida evoluzione

Periodiche: • Stelle di neutroni/pulsar

• Stelle binarie compatte

Transienti: • Supernovae

• Coalescenza (short GRB)

• Magnetar (soft repeater)

Stocastiche: • Eco cosmologica

• Fondo non risolto

ONDE

GRAVITAZIONALI


Le caratteristiche principali delle OG

possono essere studiate nell’ambito teorico

della relatività generale. • Natura tensoriale: due stati di polarizzazione

• Intensità (in termini di deformazione metrica)

esigua:

• Propagazione a velocità c, assorbimento pressoché

nullo

Come visualizzarne l’effetto? • Variazione di distanza tra masse in caduta libera

• Insorgenza di forze di marea su oggetti estesi

21

410

r

E

c

Gh SORGENTEij

RIVELAZIONE

INTERFEROMETRICA


2

LLhLL Variazione della distanza (spaziale)

tra due punti su geodetiche separate.


RIVELAZIONE

INTERFEROMETRICA

Schema fondamentale di un

rivelatore interferometrico di OG

• Interferometro in configurazione

Michelson con braccia km

• Sensibilità migliorata usando potenze

elevate e strategie di «allungamento»

(folding) del cammino ottico

• Rivelazione in frangia scura

(ottimizzazione del rapporto

segnale/rumore)

NfSx

)(2/1

VIRGO


Prima generazione: • VIRGO (Italia, Francia)

• LIGO (USA)

• GEO600 (UK/Germania)

• TAMA300 (Giappone)

VIRGO

SENSIBILITA’ DI

VIRGO


PRIMI RISULTATI

SCIENTIFICI


Collaborazione LIGO/Virgo (LVC): nessuna rivelazione, ma limiti superiori Analisi dati congiunta (network)

Meeting di collaborazione su base regolare

Fondo stocastico di OG: GW 6.9 x 10-6 Nature, 460 (2009), 990

Pulsar del Granchio: • Luminosità 2% del limite di spin down

• 1.79 x 10-4

B. Abbott et al., Ap. J., 713 (2010), 671-685

GRB 070201:

• origine in M31

• coalescenza BH/NS e NS/NS esclusa (>90% I.C.)

• magnetar non esclusa

B. Abbott et al., Ap. J., 715 (2010), 1438-1452

OLTRE LA PRIMA

GENERAZIONE


OBIETTIVO

migliorare la

sensibilità di un

fattore 10

(distanza massima)

Aumento del tasso

annuale di eventi di

un fattore 1000

(volume osservabile)

Image: Beverly Berger, NSF

Aasi J. et al., arXiv:1304.0670 (2013)

ADVANCED

VIRGO


• Advanced Virgo (AdV): upgrade del

rivelatore Virgo di OG

• Partecipazione di gruppi italiani e francesi

(dal precedente Virgo), olandesi, polacchi

e ungheresi

• Stanziamento dicembre 2009

• Fine dell’installazione: 2015

• Prime osservazioni scientifiche: 2016

5 partner europei

19 labs, ~200 autori

APC Paris ARTEMIS Nice EGO Cascina INFN Firenze-Urbino INFN Genova INFN Napoli INFN Perugia INFN Pisa INFN Roma La Sapienza INFN Roma Tor Vergata INFN Trento-Padova LAL Orsay – ESPCI Paris LAPP Annecy LKB Paris LMA Lyon NIKHEF Amsterdam POLGRAW(Poland) RADBOUD Uni. Nijmegen RMKI Budapest

CURVA DI

RUMORE


Rumore quantistico • Shot noise Laser di

alta potenza

• Pressione di radiazione

Specchi massicci

Rumore termico • Sospensioni

• Specchi (coating)

Rumore sismico • Filtri attivi e passivi

sospensioni

SCHEMA DI AdV


Eredità di Virgo • Sito e tunnel, infrastrutture

• Superattenuatore (rumore sismico)

• Sospensioni monolitiche (Virgo+)

Principali modifiche: • Fascio più grande (rumore termico)

• Masse test massicce (42 kg,

pressione di radiazione e termico)

• Laser infrarosso 200W, finezza

450, piena potenza in cavità

650 kW (shot noise)

• Signal recycling (sintonizzazione)

Tecnologie e tecniche: • Controllo delle aberrazioni introdotte da effetti termici

• Ottiche di elevata qualità

• Nuovo schema di rivelazione (DC readout)

→ comun. di E.Calloni sez.5a giovedì

SIGNAL

RECYCLING


Modifiche nella

rivelazione:

• Sintonizzazione con

signal recycling

• DC readout

RUMORE

TERMICO


Q

Il livello di rumore termico dipende dalla qualità meccanica (Q)

Specchi e sospensioni di silice fusa (monolitiche):

Fattore di qualità della silice fusa > 107

(Sospensioni in acciaio: Q=1/ 5 103)

OTTICHE

MIGLIORATE


Caratteristiche degli specchi e sensibilità Diversi effetti in diversi intervalli di frequenza

Basse frequenze • Pressione di radiazione

• Rumore termico di sospensione

Medie frequenze • Rumore termico di coating

Alte frequenze • Shot noise (geometria, regolarità intervengono sul

guadagno delle cavità)

• Aberrazioni termiche (assorbimento nei coating, substrato)

Nuove ottiche di elevata qualità: Più massicce (42 kg)

Suprasil 3002 (minore assorbimento, omogeneità migliore, Q elevato)

Polishing migliore: 0.2 nm su un diametro di 160 mm

Coating (prossima slide)

COATING E

RUMORE

TERMICO


Limite alle medie frequenze: rumore termico del coating SiO2/Ta2O5 , principalmente

causato dalla dissipazione negli strati ad alto indice di rifrazione

Dissipazione ridotta con doping al titanio (2,3 10-4)

Impiego di spot larghi sulle masse test (5 cm)

RICIRCOLO


La cavità di ricircolo eredita il disegno

di Virgo ma i fasci sono più grandi.

Conseguenze: • Cavità quasi degenere

• Modi di ordine superiore possono risuonare

• Anche le bande di controllo sono quasi

degeneri

• Effetti termici (riscaldamento e deformazione

degli specchi) molto insidiosi!

Soluzione: Ottiche di qualità elevata (già visto)

Controllo attivo delle aberrazioni (di origine termica o conseguenti ai processi di

produzione)

INTERFEROMETRO

LIBERO DA

ABERRAZIONI


Simmetria cilindrica • Polishing (raggio di

curvatura)

• Lente termica (laser)

• Disomogeneità del

substrato

Difetti residui • Polishing (planarità)

• Coating

(assorbimento)

• Residui di correzioni

attive simmetriche

• Disomogeneità del

substrato

STRATEGIE DI CORREZIONE

requisito: OPL<2 nm

Produzione • Corrective coating (planarità dello

specchio di ricircolo)

• Ion beam figuring (difetti del

substrato)

Correzione attiva • Rivelazione delle deformazioni del

fronte d’onda (phase camera, sensore

Hartmann)

• Sistema di compensazione termica

per il controllo delle deformazioni

simmetriche e residue

COMPENSAZIONE

TERMICA


Tre principali sistemi di attuazione: • Proiezione di fasci CO2 su CP per la correzione dell’effetto lente (DAS)

• Riscaldamento laterale delle masse per la correzione del raggio di curvatura (RH)

• Proiezione di un profilo asimmetrico di potenza su CP per la correzione dei difetti

residui (SS)

COMPENSATION PLATE (CP)

RING HEATER (RH)

COMPENSAZION

E TERMICA


Sistema a doppio axicon (DAS) per la correzione dell’effetto lente su CP

Profilo di riscaldamento

ottimizzato (simulazione FEA)

COMPENSAZIONE

TERMICA


Sistema di controllo del raggio di curvatura

con riscaldatore ad anello (ring heater)

• Porta lo specchio in regime di

funzionamento ad alta potenza

• Gestisce l’effetto di deformazione

termoelastica di origine termica

COMPENSAZIONE

TERMICA


Correzione dei difetti residui: Scanning System • Consiste nel muovere un fascio CO2 sulla CP secondo un reticolo di posizioni,

modulandone l’intensità. Scansioni più rapide del tempo di diffusione termica

producono il profilo di riscaldamento voluto (ricavato dal OPL misurato tramite FEA)

• Deflettori: specchi GALVO

• Modulazione di intensità controllata (AOM)

STATO E

PROGRESSI


• Già impegnato il 45% del budget finora

• Principali lavori di adeguamento sulle infrastrutture completati in novembre

• Prima fase di collaudo (input mode cleaner) già nel 2014

• Fine prevista per l’installazione e integrazione dei sottosistemi: autunno 2015

VERSIONE

SEMPLIFICATA


Obiettivo iniziale (2015):

Partenza in configurazione

semplificata, con range per

coalescenza BNS > 100 Mpc

• Signal recycling non attivo

• Laser già in uso in Virgo (max

60 W)

• Potenza bassa

• Ridotti rischi collegati ad effetti

termici

IN CONCLUSIONE


• Advanced Virgo è già in piena fase di costruzione

• Fase iniziale in configurazione semplificata per test e collaudo dei

sottosistemi 2015

• Primi dati scientifici (in coincidenza con LIGO) dal 2016

arXiv: 1304,0670

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