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AdvancedVirgo+ : le futur au présent

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AdvancedVirgo+ : le futur au présent

L’installation des équipements sur le site pour la première phase d’amélioration du détecteur AdvancedVirgo+ vient de s’achever avec succès. Malgré les conditions difficiles et les deux mois de retard dus à la crise du covid19, les personnels sur le site et dans les laboratoires de la collaboration ont mené à bien cette Phase I de l’amélioration du détecteur AdvancedVirgo+. Commence désormais l’étape importante, difficile et passionnante du « commissioning » de ce « nouveau » détecteur d’ondes gravitationnelles, c’est-à-dire la mise au point de l’ensemble des composants du détecteur, l’optimisation de leurs performances et la lutte contre les bruits techniques afin d’atteindre la sensibilité prévue pour la future prise de données O4 prévue pour démarrer mi-2022.

L’implication du LAPP

L’équipe Virgo du LAPP participe activement à cette dernière étape. Mais elle a également beaucoup travaillé à l’installation ou à l’amélioration de plusieurs éléments essentiels d’AdvancedVirgo+ : les bancs optiques de détection, de nouveaux bancs instrumentés pour le système de squeezing de la lumière et l’électronique de contrôle temps-réel.

Bancs optiques

Les bancs optiques de détection sont suspendus sous vide pour être isolés sismiquement et contiennent un ensemble complexe d’éléments optiques et électroniques associés à un traitement numérique des données. Cet ensemble permet non seulement d’améliorer la sensibilité de détection (output mode-cleaner) et d’assurer la détection de la lumière provenant de l’interféromètre (donc la détection du signal d’onde gravitationnelle qu’elle contient), mais aussi de fournir les signaux permettant le contrôle de l’interféromètre. L’équipe du LAPP est en charge de ces bancs optiques, notamment de leur adaptation aux améliorations développées pour Advanced Virgo+ (augmentation de la puissance du laser, ajout d’un miroir de recyclage de la lumière issue de l’interférence, installation d’un système de squeezing dépendant de la fréquence). A la mise en place de nouvelles photodiodes et d’une nouvelle cavité output mode-cleaner sont venues s’ajouter des modifications permettant de réduire les faisceaux parasites et la lumière diffusée qui limitent la sensibilité de Virgo à basse fréquence. L’électronique bas-bruit des photodiodes permettant de détecter la lumière provenant de l’interféromètre est encore en cours de prototypage et tests, pour une installation en fin d’année.

Banc de détection SDB1 et Cavité optique « Output Mode Cleaner »

Squeezing

Le squeezing est une technique basée sur la nature quantique de la lumière. Cette production d’états compressés de la lumière, déjà utilisée lors de la prise de données précédente O3, apporte un gain de sensibilité au détecteur. L’amélioration en cours de cet équipement (squeezing dépendant de la fréquence) permettra de gagner en sensibilité sur tout le domaine de fréquences où le détecteur AdvancedVirgo+ est le plus sensible (20 à 10000 Hz). Ce squeezing amélioré a nécessité l’ajout d’une nouvelle cavité optique de 300 mètres de long qui doit pouvoir stocker la lumière avec de faibles pertes. L’interface entre le système produisant le squeezing, cette nouvelle cavité optique et l’interféromètre lui-même a requis en particulier l’installation de deux nouveaux bancs optiques suspendus dans des enceintes à vide, qui servent à injecter le faisceau squeezé dans le cavité de filtrage puis dans l’interféromètre. Ces enceintes et ces bancs optiques ont été installés avec succès par l’équipe du LAPP à l’automne 2020 et au printemps 2021 et feront l’objet d’un suivi et d’un commissioning intense dans les prochains mois. L’équipe du LAPP a aussi installé des structures métalliques autour de chacune de ces enceintes permettant de maintenir la zone propre et d’accéder à la suspension présente au-dessus du banc, ainsi que des tubes à vide dans lesquels le faisceau laser se propage d’un banc à l’autre.

Bancs SQB2 et SQB1 lors de leurs installations dans les enceintes à vide

Électronique et logiciels de contrôle temps-réel

L’équipe du LAPP fournit l’électronique numérique, les réseaux d’échange de données et de synchronisation ainsi que l’environnement logiciel pour l’acquisition des données front-end et les boucles de contrôles numériques de l’interféromètre. Pour AdvancedVirgo+, une nouvelle production a été réalisée (286 cartes de 7 types différents), après quelques améliorations par rapport à la production faite en 2014 pour AdvancedVirgo. Ces cartes électroniques ont été installées, câblées et configurées sur le détecteur entre l’été 2020 et avril 2021.

Gauche : Cartes ADC, carte camera et cartes de démodulation numérique pour les éléments du banc de détection. Droite : Electronique front-end (cartes DAQBox)

A ces installations importantes s’ajoutent plusieurs autres améliorations. En particulier l’ajout de deux petits bancs optiques et la modification optique de bancs existants pour permettre l’utilisation d’un nouveau faisceau laser auxiliaire (vert) ajouté dans l’interféromètre. D’autres améliorations actuellement en cours concernent le système d’étalonnage du détecteur, la reconstruction du signal d’ondes gravitationnelles h(t), les outils de surveillance du détecteur et les futures analyses des données. La forte implication actuelle de l’équipe dans la phase de réglages de l’interféromètre et du système de squeezing sera suivie d’une intense activité de réduction des bruits et d’étalonnage de l’interféromètre afin d’atteindre la sensibilité prévue pour la prise de données O4.

Les principales nouveautés d’AdvancedVirgo +, phase 1

- mise en service d’une source laser plus puissante (40 W injectés dans l’interféromètre au lieu des 18 à 25 W injectés pendant O3).
- installation d’un miroir suspendu supplémentaire, dit de recyclage du signal car il permet d’amplifier l’effet provoqué par le passage d’une onde gravitationnelle sur l’interféromètre.
- amélioration de la production d’états compressés de la lumière (« squeezing »), déjà utilisée lors de la prise de données précédente O3, mais rendu dépendant de la fréquence afin de gagner en sensibilité sur le domaine de fréquences où le détecteur AdvancedVirgo+ est le plus sensible (20 à 10000 Hz).
- nouvelle structure pour le miroir d’entrée de la cavité optique « Input Mode Cleaner » : amélioration des suspensions et de la qualité de surface du miroir et nouvel absorbeur de lumière diffusée équipé de capteurs permettant de suivre l’évolution de cette lumière parasite.
- déploiement d’une batterie de senseurs qui permettront de déduire le bruit newtonien causé par les petites variations du champ gravitationnel d’origine sismique autour de l’interféromètre puis de le soustraire du signal détecté.

Le but de toutes ces améliorations est de doubler la sensibilité de Virgo par rapport à celle du run O3, et de détecter par exemple des fusions d’étoiles à neutrons jusqu’à une distance de 120 Mpc au lieu de 60 Mpc (1 Mpc = 3.26 millions d’années-lumière). Ce doublement de la sensibilité apportera presque dix fois plus de détections et la prise de données O4 devrait donc fournir près d’une détection par jour réalisées par le réseau de détecteurs LIGO Hanford, LIGO Livingston, Virgo et KAGRA !

En savoir plus :
- Site de Virgo : http://public.virgo-gw.eu/la-collab...
- L’équipe Virgo au LAPP : https://lapp.in2p3.fr/spip.php?arti...