APC Equipe Gravitation Projet Virgo - 11 mai 2016 - IN2P3

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APC Equipe Gravitation Projet Virgo - 11 mai 2016 - IN2P3
Equipe Gravitation

   Projet Virgo

       APC
     11 mai 2016
APC Equipe Gravitation Projet Virgo - 11 mai 2016 - IN2P3
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%
         1/1/201331/12/2016
      • Donatella Fiorucci, E-GRAAL, R&D sur bruit le Newtonien et applications géophisiques des détecteurs
         d’ondes gravitationnelles, financement: ANR E-GRAAL, 100%, 15/11/201530/10/207

• 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%, 1/10/201430/09/2017
      • Philippe Bacon, amélioration algorithmes sources transitoires, financement: Asterics, dir: E. Chassande-
         Mottin, 100%, 1/10/201530/09/2018
      • Yann Bouffanais, amlérioration algorithmes estimation paramètres, financement: école doctorale STEP-
         UP, dir: E.Porter, 70% 1/10/201530/09/2018

 Ingénieurs participants:
• 1 permanent [indiquer Prénom, Nom, Qualité, % temps de recherche dans le projet, autre projet]
      • Christelle Buy, IR2, 50%, autre projet: eLISA                                            2
APC Equipe Gravitation Projet Virgo - 11 mai 2016 - IN2P3
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
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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
APC Equipe Gravitation Projet Virgo - 11 mai 2016 - IN2P3
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
APC Equipe Gravitation Projet Virgo - 11 mai 2016 - IN2P3
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
APC Equipe Gravitation Projet Virgo - 11 mai 2016 - IN2P3
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
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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
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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
APC Equipe Gravitation Projet Virgo - 11 mai 2016 - IN2P3
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%)

                                                                                                             10
Activités 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%)

                                                                                                              11
Activités 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%)

                                                                              12
Faits 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

                                                                                                    13
Evolution 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

                                                                                                              14
Attente (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

                                                                                      15
BACKUP
[ + Tous les documents jugés utiles pour la discussion]

                                                          16
Virgo 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)
                                                                  18
10 authors from Virgo APC
                            19
The event

            20
21
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

                                                  22
The science in the next 5 years

                                  23
Some 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?

                                     24
The 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
                                                                              25
The 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

                                                                               26
The science in the next 5 years

          Black-hole binaries

      https://arxiv.org/abs/1602.03842
                                         27
The science in the next 5 years

                                  28
The science in the next 5 years

                                  29
APC 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)

                                              30
Preparing the GW science

1.Electromagnetic follow-up

2. Theory – gravitation

3. Cosmology

4. Neutrinos

                              31
APC 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)

                                              32
Lab- clean room

                  33
Advanced 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

                                                34
Telescopes/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

                                                      35
Telescopes/2

                                             end
                                  télTélescopes de bout de bras
          pick-off                           mirror
          telescope
télTélescope pick-off                        telescope

                                                                  36
Telescopes/3

               37
Telescopes/4

1 published paper, 1 paper under submission, several internal
  notes of the Virgo Collaboration

                                                                38
Commissioning/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)

                                              39
Commissioning/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)

                                              40
Commissioning/3

 • Noise identification,
 reduction
 • Automated noise budget   41
Commissioning/4

                  42
Data 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)

                                                              43
Data 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)!

                                               44
Data 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
                                                                45
Future 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

                                                            47
Future 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)

                                                 48
E-GRAAL project
Earthquake Gravity Alerts

                   49       49
Goals

   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            50
Participants
          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                51
Funding
Plan d’action
2014

           Scholarship
           Double culture
                                Working group
                                Geophysics and
                                gravitational wave
                                detectors
                                (since 2011)

                                                     52
Context: Earthquakes

                      Huge mass
                   displacement in
                   tens of seconds

  Can we detect the gravity
change due to an earthquake?
                                     53
Gravimeters 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                      54
Motivations: EEWS

                               Source: Japan meterological agency

For example (for some ground densities) : P-waves ~ 5 km/s
S-waves~ 2.5 km/s
                                                 55                 55
A 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                   56
Task 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

                                      59
Why 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

                                     60
Strainmeters with suspended masses

                       61        61
Sub-Hz detectors

1) Torsion bar antennas

2) Atom interferometers

Newtonian noise (gravity gradients)

                                      62
Publications

– 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)

                                                                                     63
Virgo - 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

                                                        64
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