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 Manpower: 100 physicists, 100 technical 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 VIRGO V VIRGO at EGO Site Manpower: 100 physicists, 100 technical Overall cost: 76 MEuro INFN-CNRS + 15 MEuro INFN for site preparation

Detection Principle Effect of a sinusoidal gravitational wave going through the slide on the space-time frame and on a circular distribution of free masses Figure: M.Lorenzini DL L DL/L < 10 -21 Expected from astronomical sources (audio band) G.Prodi, Experimental Workshop, Dipartimento di Fisica, UniTN, 9 maggio 2008

Operating Detectors Two detectors fully developed: Resonant Masses Interferometers Figure: S. Reid G.Prodi, Experimental Workshop, Dipartimento di Fisica, UniTN, 9 maggio 2008

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 20 kW 20 kW 1 kW Power 7 W

The noise sources Padova , Marzo , 2009 F. Ricci – La Sapienza –Roma

Curva di sensibilità Seismic Thermal Shot

Noise Budget 2e-19 m / Hz

Network of interferometers Agreement between LIGO Scientific Collaboration & Virgo for: common data analysis, joint observations, plan of advanced detectors 3 km 600 m 4 & 2 km TAMA 4 km 300 m

TAMA 300 GEO600 AURIGA NAUTILUS EXPLORER VIRGO LIGO

Advanced Network 2014 VIRGO+ & eLIGO+ 2010 VIRGO & LIGO 2007 Science case for next generation detectors: VIRGO+ & eLIGO+ 2010 Virgo 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

Virgo role in the network 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 False alarm rejection by requirng coherence at distant sites Reconstruction of wavefront to pinpoint the source measure signal parameters polarization amplitude and waveforms Longer observation time, better sky coverage

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 H1, H2, L1, V1 La sensibilità di Virgo ad alta frequenza è la stessa dei rivelatori LIGO 4km Il nostro gruppo ha il compito di analizzare la banda di frequenze 1.3-6 kHz per cercare segnali “burst” (= transienti corti) FASCIA gialla 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

PRELIMINARY UPPER LIMITS paper in preparation High Freq. null result S5Y1, 2005-6 S5Y2/VSR1, 2006-7 Combined 2005-7 SG 1451Hz Q9 5000Hz Q9 No calibration systematics taken into account here PRELIMINARY UPPER LIMITS paper in preparation F. Salemi, 18 December '08 – Maryland LSC/Virgo Meeting

Reconstruction of GW signal parameters R&D on algorithms to set sky error regions Distribuzione cumulativa PRELIMINARY Angolo di errore, deg

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

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 Risultati sperimentali Cryogenic test facility at LNL Richieste per Dual Dalle nostre misure preliminari 3 dischi di silicio sp. 0.3 mm incollati con il metodo del direct bonding

Prime misure in collaborazione con Glasgow (UK) Jena (D) R&D dissipazioni meccaniche: specchi Dissipazioni meccaniche di coating ottici su Si Prime misure in collaborazione con Glasgow (UK) Jena (D) 100nm SiO2 on monocrystalline Si Mode IV Mode V Mode VI Per Dual ottico viene richiesto (preliminare)

VIRGO ADVANCED CONFIGURAZIONE OTTICA Cavità non degeneri di ricircolo di potenza Fascio di luce più esteso sugli specchi Signal Recycling

AdV BASELINE - SUMMARY new IP tilt control heavier mirrors (42 kg) high finesse (≈1000) larger beam waist signal recycling new payload fused silica suspensions high power SSL (200 W) DC detection Padova , . Marzo , 2009 F. Ricci – La Sapienza –Roma

Virgo Super Attenuator Passive attenuation VIRGO Thermal Noise Measured Upper Limit AdV Review - November 3rd, 2008

Can’t be done in a single step 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 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

SA: Top Inertial Platform Accelerometers for inertial damping position sensors Actuators ADC DSP DAC

Last stage and Payload 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. 3/11/2008 Piero Rapagnani

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:

y x z Payload Local Control Tests on Monolithic Payload Prototype lens (and PSDs) marionette and coils y x z Mirror and markers Laser Camera 3/11/2008 Piero Rapagnani

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.

Sviluppo di una Phase Camera B1s ref. beam 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. 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