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Etude de la lumière diffusée sur le détecteur d’ondes gravitationnelles Advanced Virgo+.

Le LAPP propose un stage de Master 2 afin de participer à la caractérisation de la lumière diffusée sur les bancs optiques suspendus qui composent le système de détection de l’interféromètre Virgo. Dans ce but l’étudiant stagiaire sera amené à identifier les sources possibles de lumière diffusée sur les bancs optiques et à simuler la propagation de cette lumière parasite.

Résumé du travail demandé :

Le détecteur d’onde gravitationnelle Virgo, installé à Pise, fonctionne sur le principe d’un interféromètre laser avec des bras de 3 km de long. En 2017, la première observation conjointe d’ondes gravitationnelles, par les détecteurs LIGO et Virgo, provenant d’une coalescence d’étoiles à neutrons et d’un sursaut gamma, suivie par celle d’un signal optique, a ouvert un tout nouveau chapitre de l’astronomie multi-messagers. Une période d’observation conjointe des détecteurs LIGO (aux États-Unis) et Virgo s’en est suivie d’avril 2019 à mars 2020, permettant la détection hebdomadaire de coalescences de systèmes binaires compacts (notamment des trous noirs). Depuis 2020, le détecteur Virgo est entré dans une phase de modifications et d’améliorations (upgrade Advanced Virgo +) en vue d’une nouvelle période d’observation qui débutera dans le deuxième semestre de 2022. Plusieurs bancs optiques, suspendus et placés sous vide, sont utilisés pour extraire le faisceau laser en différentes localisations (en sortie de l’interféromètre, mais aussi en transmission des bras kilométriques par exemple). Ces bancs hébergent des éléments optiques et des capteurs de lumière (photodiodes, photodiodes à quadrants, caméras, …) qui ont pour rôle d’extraire les signaux utiles pour la détection des ondes gravitationnelles et pour le contrôle de la position des miroirs de l’interféromètre. Ces éléments peuvent diffuser une partie de la lumière incidente. Cette lumière importune peut se recombiner avec le faisceau principal, et par interférences générer des variations de la puissance laser mesurée sur les photodiodes principales, variations qui sont interprétées comme le passage d’une onde gravitationnelle. De plus, cette lumière diffusée se couple aussi en modulant la pression de radiation du faisceau laser sur les miroirs de l’interféromètre, générant une réelle variation de longueur différentielle des bras de l’interféromètre. Par ces divers couplages, cette lumière diffusée limite donc la sensibilité du détecteur. Dans le contexte de l’upgrade Advanced Vigo+, une révision des bancs optiques est entreprise afin d’identifier les mesures à mettre en place pour réduire la lumière diffusée et ainsi améliorer la sensibilité du détecteur. Le LAPP propose un stage de Master 2 afin de participer à la caractérisation de la lumière diffusée sur les bancs optiques suspendus qui composent le système de détection de l’interféromètre Virgo. Dans ce but l’étudiant stagiaire sera amené à identifier les sources possibles de lumière diffusée sur les bancs optiques et à simuler la propagation de cette lumière parasite. Au cours de cette étude l’étudiant stagiaire pourra s’appuyer sur une petite expérience installée au LAPP qui permet de mesurer la lumière rétro diffusée par divers éléments optiques. Cette expérience utilise un interféromètre de Michelson simple, mais avec au bout d’un des bras un élément diffusant et suspendu de manière à pouvoir contrôler une translation de cet élément sur plusieurs longueurs d’onde du laser. Les résultats obtenus par la simulation optique pourront ainsi être confrontés à des mesures expérimentales. L’étude proposée dans ce stage devrait permettre d’affiner les projections du bruit de la lumière diffusée sur la courbe de sensibilité de Virgo, et de définir d’éventuelles contre-mesures pour réduire ce bruit.

Indication éventuelle d’ouverture vers un sujet de thèse :

Ce stage peut déboucher sur un sujet de thèse englobant la problématique de la lumière diffusée dans le système de détection, l’étude de son effet sur la sensibilité de Virgo et, plus généralement, l’étude et l’amélioration de la sensibilité du détecteur Virgo pendant la prochaine prise de données O4 (2022 - 2023), ainsi que la préparation et la mise en place des upgrades visant à améliorer davantage la sensibilité pour la future prise de données O5 (horizon 2025).

o Level : Master 2 internship, can be followed by a PhD

o Supervisor : Romain Gouaty

o Phone : 04 50 09 55 19

o e-mail : gouaty@lapp.in2p3.fr