APC Equipe Gravitation Projet Virgo - 11 mai 2016 - IN2P3
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Equipe Gravitation
Projet Virgo
APC
11 mai 2016
Composition de l’équipe (en Mai 2015)
Responsable scientifique local: Matteo Barsuglia
Chercheurs participants:
• 4permanents [indiquer Prénom, Nom, Qualité(Emérite, PR, DR, MCF, CR1, CR2, Post-Doc, Doc), HDR
ou pas, % temps de recherche dans le projet, autre projet]
• Matteo Barsuglia, DR2, HDR, 100%
• Eric Chassande-Mottin, CR1, HDR, 80%, autre projet: ANR wavegraph, ASTERICS, SVOM
• Edward Porter, CR1, HDR, 70%, autre projet: eLISA
• Danièlle Steer, PR, HDR, 20%, autre projet: Théorie
• 2 post-doctorants : [indiquer sujet, origine financement, % temps de recherche dans le projet, date
de début, date de fin]
• Matteo Tacca, Téléscopes Advanced Virgo et commissioning Advanced Virgo, financement: EGO, 100%
1/1/201331/12/2016
• Donatella Fiorucci, E-GRAAL, R&D sur bruit le Newtonien et applications géophisiques des détecteurs
d’ondes gravitationnelles, financement: ANR E-GRAAL, 100%, 15/11/201530/10/207
• 3 Doctorants: [indiquer sujet, financement, directeur, codirection, cotutelle, % temps de recherche
dans le projet, date de début, date de fin]
• Eleonora Capocasa, Commissioning Advanced Virgo et R&D squeezing, financement: EGO(50%)/école
STEP-UP(50%), dir: M.Barsuglia, co-dir R.Flaminio (NAOJ), 100%, 1/10/201430/09/2017
• Philippe Bacon, amélioration algorithmes sources transitoires, financement: Asterics, dir: E. Chassande-
Mottin, 100%, 1/10/201530/09/2018
• Yann Bouffanais, amlérioration algorithmes estimation paramètres, financement: école doctorale STEP-
UP, dir: E.Porter, 70% 1/10/201530/09/2018
Ingénieurs participants:
• 1 permanent [indiquer Prénom, Nom, Qualité, % temps de recherche dans le projet, autre projet]
• Christelle Buy, IR2, 50%, autre projet: eLISA 2
Production scientifique
• 3 publications significatives/emblématiques dans revues à comité de lecture (2012-2015) :
– Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, B.P. Abbot et al. , PRL 116, 061102
(2016) (signé par les Collaborations Virgo et LIGO, 10 auteurs APC, E.Chassande-Mottin co-coordinateur
du comité d’écriture de l’article) - l’article historique de la première détection directe des ondes
gravitationnelles
– Advanced Virgo: a second-generation interferometric gravitational wave detector, F. Acernese et al, CQG
32, 024001 (2015) (signé par la Collaboration Virgo) article qui décrit le design de Advanced Virgo
– Implementation and testing of the first prompt search for gravitational-wave transients with
electromagnetic counterparts, Astron Astrophysic 539 (2012) A124 First searches for EM counterparts
with LIGO/Virgo. (Contribution significative APC. Demonstration de féasibilité)
• 3 publications récentes à forte contribution de l'équipe (revue, proceeding,..) :
– Fabry-Perot interferometer using higher-order Laguerre-Gauss modes, A. Gatto et al., PRD 90, 122011
(décembre 2014) (tous les auteurs Virgo-APC) article dans lequel On demontre l’interférométrie
Laguerre-Gauss sur un interféromètre de Michelson avec Fabry-Perot dans le bras et on met en évidence
le problème de la dégénérescence des modes
– Tuning of a high magnification compact parabolic telescopes for centimeter scale laser beams, M.Tacca
et al., Applied Optics, Vol 55, n.10 (2016). (1er auteur Virgo-APC) Article dans lequel on montre une
technique d’alignement pour les télescopes paraboliques avec les résultats sur le télescope de Advanced
Virgo
– Estimation of losses and quantum noise reduction in the KAGRA gravitational-wave detector, E.Capocasa
et al., Physical Review D 93, 082004 (2016) (1er autrice et 2ème auteur Virgo-APC). Article qui étudie les
pertes dans une cavité de filtrage de 300 m. Collaboration avec KAGRA. Application directe à Advanced
Virgo et Advanced LIGO.
• Quelques thèses récentes soutenues dans l'équipe
• Massimo Granata (2011)
• Boutayeb Bouhou (2012)
3
Projets Techniques, instrumentaux,R&D/1
Projet technique: Télescopes pour Advanced Virgo
Responsable scientifique local: Matteo Barsuglia
Responsable technique local: Christelle Buy (Matteo Tacca, suppléant)
Description [2 lignes max]: conception, étude, réalisation, installation et commissioning de 5 télescopes
d’adaptation du faisceau pour Advanced Virgo. Optique et mécanique. Tous les télescopes installées sur le site
Virgo. En ce moment en phase de commissioning.
Notes: 1 publication, 1 publication en préparation, plusieurs notes internes de la Collaboration Virgo
Liste des chercheurs participants (en 2016): [permanents/post-doctorants/doctorants]
• M.Barsuglia, M. Tacca
Liste des IT participants (en 2016):
• 1 permanents [indiquer Prénom, Nom, qualité (IR, IE, T), métier (électronique …), % activité dans le
projet), HDR ou pas, % temps de recherche dans le projet]
• Christelle Buy, ingénieur opticien, département techniques expérimentales, 40%
4
Projets Techniques, instrumentaux,R&D/2
Projet technique : Commissioning Advanced Virgo (noise budget, alignement,
caractérisation optique)
Responsable scientifique local: Matteo Barsuglia
Description [2 lignes max]: Identification des bruits de la source laser, alignement de l’interféromètre,
caractérisation optique
Notes: Note interne de la Collaboration Virgo
Liste des chercheurs participants (en 2016): [permanents/post-doctorants/doctorants]
• M.Barsuglia, M.tacca, E.Capocasa
5
Projets Techniques, instrumentaux,R&D/3
Projet R&D: Interférométrie avec modes de Laguere-Gauss
Responsable scientifique local: Matteo Barsuglia
Responsable technique local: Christelle Buy
Description [2 lignes max]: R&D sur la féasibilité de l’interférométrie avec modes de Laguerre-Gauss d’ordre
supérieur dans des versions améliorées de Advanced Virgo, afin de diminuer le bruit thermique des miroirs.
Notes: activité en train de terminer. Financement ANR « Laguerre » (terminée).
1 thèse soutenue (Massimo Granata), 3 publications (1 Phys. Rev. Letters, 2 Phys Rev. D), 1 publication en
préparation.
Liste des chercheurs participants (en 2016): [permanents/post-doctorants/doctorants]
• M.Barsuglia, M.tacca
Liste des IT participants (en 2016):
• 1 permanents [indiquer Prénom, Nom, qualité (IR, IE, T), métier (électronique …), % activité dans le
projet), HDR ou pas, % temps de recherche dans le projet]
• Christelle Buy, ingénieur opticien, département techniques expérimentales, 5%
6
Projets Techniques, instrumentaux,R&D/4
Projet R&D: Réduction du bruit quantique
Responsable scientifique local: Matteo Barsuglia
Description [2 lignes max]: R&D pour l’étude d’une cavité de filtrage pour la diminution du bruit quantique
dans Advanced Virgo (et après). Collaboration avec le Japon.
Notes: 1 publication (1 Phys Rev. D), 1 thèse en cours, collaboration avec le National Astronomical Observatory of
Japan.
Liste des chercheurs participants (en 2016): [permanents/post-doctorants/doctorants]
• M.Barsuglia, M.tacca, E.Capocasa (PhD)
7
Projets Techniques, instrumentaux,R&D/5
Projet R&D: Etude du bruit Newtonien. Applications géophysiques des
détecteurs d’ondes gravitationnelles
Responsable scientifique local: Matteo Barsuglia
Description [2 lignes max]: étude du bruit Newtonien (atmosphérique, sismique) dans les détecteurs d’ondes
gravitationnelles. Applications géophysiques des détecteurs d’ondes gravitationnelles.
Synérgie avec projet E-GRAAL.
Liste des chercheurs participants (en 2016): [permanents/post-doctorants/doctorants]
• M.Barsuglia, D.Fiorucci
8
Projet Valorisation,R&D
Projet: E-GRAAL
Responsable scientifique local: Matteo Barsuglia
Responsable technique local: Christelle Buy
Description [2 lignes max]: étude de faisibilité d’un système d’alerte rapide pour les tremblements de terre
basé sur un signal de gravité. Projet financé principalement par ANR « E-GRAAL » (APC-IPGP) (et aussi par le
Labex UnivEarthS, à travers le WP3 « géophysique et détecteurs d’ondes gravitationnelles »).
Note: Superposition avec l’activité R&D Virgo sur l’étude du bruit Newtonien, applications géophysiques des
détecteurs d’ondes gravitationnelles.
Liste des chercheurs participants (en 2016): [permanents/post-doctorants/doctorants]
• M.Barsuglia, D.Fiorucci
Liste des IT participants (en 2016):
• 1 permanents [indiquer Prénom, Nom, qualité (IR, IE, T), métier (électronique …), % activité dans le
projet), HDR ou pas, % temps de recherche dans le projet]
• Christelle Buy, ingénieur opticien, département techniques expérimentales
9
Activités Scientifiques/1
•Activité 1: Recherche de transitoires gravitationnels (Bursts)
– Burst co-chair depuis 2014: coordination des recherches de transitoires LIGO/Virgo, allocation des
moyens de calculs, suivi des développements et des analyses, reporting au DAC et STAC
– E.Chassande-Mottin (30%)
•Activité 2: Amélioration des recherches de transitoires gravitationnels
– Nouvelles techniques de clustering sur graphe pour améliorer les performances des algorithmes de
recherche Burst
– ANR wavegraph/Projet PICS Inde TVM
– E.Chassande-Mottin (25%), Ph.Bacon (80%)
10Activités Scientifiques/2
•Activité 3: Suivi électromagnétique
– 2010: Organisation des observations de suivi. Contact avec TAROT Calern/Chili. Analyses des images.
– 2012: Coordinateur du programme de suivi LIGO/Virgo pour détecteurs avancés
– 2016: Coordinateur OG ASTERICS – Virtual observatory. Open science.
– E.Chassande-Mottin (30%), Ph.Bacon (20%)
• Activité 4: Recherches jointes OG neutrinos
– En collaboration avec ANTARES APC
– E.Chassande-Mottin (30%)
11Activités Scientifiques/3
•Activité 5: recherche des cosmic strings dans les données de Virgo et LIGO
– Collaboration avec le LAL (Florence Robinet)
– Support théorique
– Danièle Steer (20%), Edward Porter (20%)
•Activité 6: développpement algorithmes pour l’estimation des paramètres
– Edward Porter (50%), Yann Bouffanais (70%)
12Faits marquants
1) Première détection des ondes gravitationnelles
• effort long terme pour mettre en place un réseau de détecteurs d’ondes gravitationnelles
• participation à l’analyse
• écriture/review du(des) papier(s)
• 1 membre de l’équipe Virgo-APC co-coordinateur du papier de détection (1004 auteurs)
2) Installation des télescopes de Advanced Virgo sur le site Virgo
• Effort long terme de la conception à la mise en marche
• Services mécaniques et techniques expérimentales impliqués dans la réalisation
13Evolution anticipée (3-5 ans)
• Evolution personnels
- M.Tacca termine son contrat fin 2016. 1 post-doc financé par l’IN2P3. 2017-2018 sur le commissining.
- Seulement un chercheur permanent (à < 70%) sur les activités techniques, instrumentales, R&D Si on
veut avoir un impact sur cette partie nécessité de renforcer avec un CR.
- 1 postdoc + IR ASTERICS 2016-2018: Open science, multimessenger astro
- 1 postdoc ANR wavegraph 2016-2018: signal on graphs, math/stats
- 1 postdoc CEFIPRA Inde 2017-2019: analyse avec wavegraph/bruit non-gaussien
• Evolution activités
– Le commissioning de AdV continue jusqu’à l’obtention de la sensibilité.
– Interférométrie avec modes de Laguerre-Gauss en train de terminer
– Bruit quantique/squeezing – activité continue jusqu’à fin 2017 (thèse E.Capocasa), après? en fonction des
forces disponibles.
– E-GRAAL, bruit Newtonien/applications géophysique – activité continue jusqu’à 2018, après? en fonction
des forces disponibles.
– Participation projet éuropéen IGRAINE
– Application wavegraph à la recherche BBH. Données O2 et O3.
– Contrepartie X/gamma O2 et O3. Collaboration INTEGRAL/ACS puis SVOM. Première BNS?
– Discussion sur synérgies/collaborations avec groupes théorie/cosmologie/AHE à l’APC
14Attente (vis-à-vis de l’IN2P3)
• Personnels
– 1 CR sur la partie instrumentale/R&D
– 1 CR sur la partie analyse des données
– 1 IR opticien
– S.K Récapituler finances de l’année passée ou mieux des 2-3 années précédentes,
– par source (IN2P3,Labex, Région, CNES, ANR, EU, etc)
– Faire un camembert si nécessaire
15BACKUP
[ + Tous les documents jugés utiles pour la discussion]
16Virgo project
11/5/2016 presentation
Matteo Barsuglia
CNRS – Laboratoire Astroparticule et Cosmologie
17• 2008 APC-VIrgo group created, 3 members (MB+ECM+ post-doc)
• 2016 10 members: Barsuglia, Bacon, Bouffanais, Buy, Capocasa,
Chassande-Mottin, Fiorucci, Porter, Robert, Tacca, Steer, Gatto
(associated)
1810 authors from Virgo APC
19The event
2021
Messages from the first detection
1. A surprise
2. Lot of physics and astrophysics, from the
beginning (BH-BH, heavy steller mass BH, tests
of GR,...)
3. Gravitational-wave still a low SNR business:
very important to work on the data-analysis ,
noise and on the detector
22The science in the next 5 years
23Some questions
1. How these BH form?
2. How the BH-BH form?
3. How many are they?
4. Which are the host galaxies?
5. E.M. and neutrino counterparts?
6. NS-BH exist? do they merge?
24The science in the next 5 years
Prospects for Observing and Localizing Gravitational-Wave Transients with
Advanced LIGO and Advanced Virgo, LIGO and Virgo Collaboration, Living Rev.
Relativity 19 (2016), 1
25The science in the next 5 years
Neutron-star binaries
Prospects for Observing and Localizing Gravitational-Wave Transients with
Advanced LIGO and Advanced Virgo, LIGO and Virgo Collaboration, Living Rev.
Relativity 19 (2016), 1
26The science in the next 5 years
Black-hole binaries
https://arxiv.org/abs/1602.03842
27The science in the next 5 years
28The science in the next 5 years
29APC group activities
1. Preparing the GW science
2.Design, construction, commissioning of
Advanced Virgo
3.Data analysis and multi-messenger
astrophysics
4.R&D for future detectors (improvements of
Advanced Virgo, Einstein Telescope)
30Preparing the GW science
1.Electromagnetic follow-up
2. Theory – gravitation
3. Cosmology
4. Neutrinos
31APC group activities
1. Preparing the science
2.Design, construction, commissioning of
Advanced Virgo
3.Data analysis and multi-messenger
astrophysics
4.R&D for future detectors (improvements of
Advanced Virgo, Einstein Telescope)
32Lab- clean room
33Advanced Virgo
•2009-2011 responsibility of the core optics
design (M.Barsuglua: OSD sub-system
manager) - completed
• Since 2009, responsibility of mode-matching
telescopes
•Since 2014, Commissioning of Advanced
Virgo
34Telescopes/1
•5 telescopes, from the design to the commissioning
• Optical design challenging, diffused light
computation, mechanics, tolerancing, alignment.
• All the telescopes installed. Now commissioning
• Strong role of technical department and
mechanical workshop
35Telescopes/2
end
télTélescopes de bout de bras
pick-off mirror
telescope
télTélescope pick-off telescope
36Telescopes/3
37Telescopes/4
1 published paper, 1 paper under submission, several internal
notes of the Virgo Collaboration
38Commissioning/1
•Commissioning of the telescopes (M.Tacca,
M.Barsuglia)
•Global alignment, locking etc... (M.Tacca,
M.Barsuglia)
• Noise identification and noise budget
(E.Capocasa, M.Barsuglia)
• Optical Characterization (E.capocasa,
M.Barsuglia)
39Commissioning/2
•Commissioning of the telescopes (M.Tacca)
•Global alignment, locking etc... (M.Tacca)
• Noise identification and noise budget
(E.Capocasa, M.Barsuglia)
• Optical Characterization (E.capocasa,
M.Barsuglia)
40Commissioning/3 • Noise identification, reduction • Automated noise budget 41
Commissioning/4
42Data analysis – transient searches
• Since 2014, co-responsibility of burst group and co-
coordinator of writing committee (ECM)
• Improving sensitivity of wavelet-based coherent
WaveBurst pipeline to chirp-like signals (ECM and
Philippe Bacon – PhD)
ANR wavegraph connection to “Signal processing
on Graphs” (maths/stats)
Collaboration with IISER India (Gayathri V, PhD)
43Data analysis – transient searches
• Contribution to cosmic string search
(D.Steer) – Support to theory and models
• Approached for co-responsability of CBC
group (Ed Porter)
• Bayesian follow-up: fast parameter
estimation for compact binairies (EP and
Yann Bouffanais-- PhD)!
44Data analysis: Multi-messenger
astrophysics
• Building on pioneering activities
EM Follow-up – feasability demonstration (2010)
2012: Co-ordination of the initial steps of the LIGO-Virgo
EM follow-up program – 70 astro groups involved (ECM)
Joint GW-neutrinos searches with ANTARES
3 collaboration papers
• H2020 Asterics – Coop. ESFRI
Open data science
Virtual observatory for GW
Alerts and statistical methods for multimessenger
• GW150914 – A lot of activities at APC
Fruitful collaboration with INTEGRAL and ANTARES!
• Connection to GRB physics
LabEx UnivEarths – Future potention of SVOM
45Future upgrade and R&D/1 • 2016-2026: Advanced Virgo vision document in preparation (x 2 sensitivity) • Longer term: Einstein Telescope • IGRAINE- H2020 (M.Barsuglia responsible CNRS) R&D target at APC: future fundamental limiting noises • Newtonian noise (
Future upgrades and R&D /2
• Thermal noise: Laguerre-Gauss modes
• Test production and interferometry
• ANR « LAGUERRE » - concluded
• 3 papers published: 1 PRL and 2 PRD
• Still an option for Einstein Telescope, but it requires
much better mirrors
47Future upgrades and R&D /3
• Quantum noise: squeezing and filter cavities
• Collaboration with NAOJ / KAGRA – Japan
• 1 PRD already published – 1 in preparation
• PhD on-going (E.Capocasa)
48E-GRAAL project
Earthquake Gravity Alerts
49 49Goals
Study the benefits and feasibility of a new
earthquake
early-warning system (EEW) based on the gravity
detection
2 questions:
1) Which are the benefits with respect to
conventional systems
2) Is it feasible? On which timescale?
50 50Participants
Project team
International collaborators:
Matteo Barsuglia (coordinator)
Eric Chassande-Mottin Bernard Withing (Florida
Christelle Buy University)
Donatella Fiorucci Jean-Paul Ampuero (Caltech)
Jan Harms (Urbino/Firenze)
Jean-Paul Montagner New collaborations:
Kévin Juhel
Eric Clévédé Fiodor Sorrentino (INFN Genova)
Pascal Bernard (atom interferometers – MAGIA
experiment)
Masaki Ando (Tokyo University)
(torsion bar antenna)
51 51Funding
Plan d’action
2014
Scholarship
Double culture
Working group
Geophysics and
gravitational wave
detectors
(since 2011)
52Context: Earthquakes
Huge mass
displacement in
tens of seconds
Can we detect the gravity
change due to an earthquake?
53Gravimeters and satellites
~ 0.6 10-8 m/s2 =
0.6 µgal
Imanishi et al., A Network of
Superconducting Gravimeters
Detects Submicrogal Coseismic
Gravity Changes
Science 306, 476 (2004)
S. Okubo (1991), Potential and gravity changes raised by point dislocations, Geophysical
Journal International, 105(3), 573– 586.
S. Okubo (1992), Gravity and potential changes due to shear and tensile faults in a half-
space, Journal of Geophysical Research, 97(B5), 7137–7144.
54 54Motivations: EEWS
Source: Japan meterological agency
For example (for some ground densities) : P-waves ~ 5 km/s
S-waves~ 2.5 km/s
55 55A gravity based EEWS
Rupture
Huge%mass%displacement%
Seismic waves %
p-waves
(qq km/s) Gravity field change
Source: Japan meterological agency
(not a gravitational-wave)
Seismic signal
Fordelayed
example (forp-waves
by the some ground densities) : P-waves ~ 5 km/s
propagation
S-waves~ 2.5 km/s
56 56Task list
(1) Computation/simulation gravity signals due to the
fault rupture (Signal)
(2) Detection of a rompt gravity signal in the data
(3) Feasibility of a detector (noise)
(4) Detection pipeline (signal to noise ratio – warning
time – false alarm rate)
57(1) Computation of gravity signals
58(1) Search of signals in the data
59Why GW detectors are interesting?
Seismometers/gravimeters
at 0.1-1 Hz limited by the
seismic noise
(inertial effects)
We need a strainmeter with
seismic isolated test masses
1 microgal
60Strainmeters with suspended masses
61 61Sub-Hz detectors
1) Torsion bar antennas
2) Atom interferometers
Newtonian noise (gravity gradients)
62Publications
– Transient gravity perturbations induced by earthquake rupture, J.Harms et al.,
Geophysical Journal International 201 (2015) (Contribution APC: Matteo
Barsuglia and Eric Chassande-Mottin, calcul du signal de gravité prompt donné
par un tremblement de terre)
– Prompt gravity signal induced by the 2011 Tohoku-Oki earthquake, J.-
P.Montagner et al., sous review à Nature Communication (Contribution APC:
Matteo Barsuglia et Eric Chassande-Mottin, dans l’article on décrit la recherche
d’un signal de gravité pendant la rupture de la faille du tremblement de terre
du 2011 au Japon)
63Virgo - Summary
• Lot of science in the next years
• APC-Virgo group strong involvement in
construction, data analysis, R&D
• Responsibilities in the Virgo Collaboration
(telescopes, optical design, Burst co-chair)
• Responsibilities at the CNRS level (European call
IGRAINE)
• Valorisation (E-GRAAL)
• Visibility at the national and international level,
collaborations (Japan, Italy, India, USA)
• Collaborations at APC level (theory, Antares,
INTEGRAL,...) new collaboration under study
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