Réduction du bruit quantique à large bande dans AdV+ : de l'installation du système 'frequency-dependent squeezing' à l'atténuation de la lumière diffusée et des pertes de détection

Broadband quantum noise reduction in AdV+ : from the installation of the frequency-dependent squeezing system to the mitigation of scattered light and detection losses

• Auteur / Autrice : Eleonora Polini
• Direction : Edwige Tournefier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique Subatomique et Astroparticules
• Date : Soutenance en 2022
• Etablissement(s) : Chambéry
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de Physique des Particules
• Jury : Président / Présidente : Stephane Jezequel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fiodor Sorrentino, Matteo Barsuglia, Lisa Barsotti, Laurent Derome, Edwige Tournefier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Matteo Barsuglia, Lisa Barsotti

Mots clés

Mots clés libres

Bruit quantique

États comprimés de la lumière

Ondes gravitationnelles

Quantum noise

Squeezing

Gravitational waves

Résumé

L'astronomie gravitationnelle a débuté après la première détection directe d'ondes gravitationnelles par les détecteurs LIGO aux États-Unis. Par la suite, le détecteur européen Virgo a rejoint le réseau d'observation, ce qui a permis une localisation beaucoup plus précise des sources. La détection d'une coalescence d'étoiles à neutrons est à l'origine de l'astronomie dite ''multi-messagers''. Au total, jusqu'à la fin de la dernière période d'observation de O3, 90 événements de coalescence ont été révélés, atteignant un taux d'un événement par semaine. Les détecteurs ont été encore améliorés en vue du prochain passage de l'O4, pour permettre de voir une partie encore plus grande de l'Univers. Trois des principales améliorations apportées à Virgo sont abordées dans cette thèse. La première est la mise en œuvre d'une technique quantique permettant de réduire le bruit quantique sur toute la bande de détection, connue comme états de vide comprimés dependants de la fréquence ou frequency dependent squeezing. Nous avons mis en œuvre cette technique avec succès jusqu'à la première mesure des états comprimés avec une rotation à une fréquence de 25 Hz, ce qui est nécessaire pour optimiser la réduction du bruit dans Virgo. La deuxième contribution concerne l'étude et l'atténuation de la lumière diffusée par les bancs suspendus du détecteur. La lumière diffusée qui se recouple avec le faisceau principal de l'interféromètre détériore sa sensibilité aux basses fréquences et risque de masquer le bénéfice introduit par le squeezing dependant de la fréquence. Nous avons fait des projections du bruit de la lumière diffusée par les bancs suspendus, en mesurant la contribution de certaines optiques avec le rétro-diffuseur que nous avons construit au LAPP. Nous avons également atténué les faisceaux parasites sur les bancs qui peuvent créer de la lumière diffusée. La troisième contribution concerne le changement des deux cavités nettoyeuses de mode de sortie du detecteur par une nouvelle cavité à faibles pertes. La principale motivation est de réduire les pertes optiques qui dégradent les performances du squeezing. Nous avons caractérisé, installé et mis en service la nouvelle cavité avec succès. Les améliorations décrites dans cette thèse pour O4 permettront une plus grande sensibilité et révéleront ainsi des événements plus lointains, nous permettant de découvrir certains des secrets qui se cachent dans notre univers

Gravitational astronomy began following the first direct detection of gravitational waves by the LIGO detectors in the USA. Subsequently, the European Virgo detector joined the observation network, which enabled a much more precise localisation of the sources. The detection of a coalescence of neutron stars initiated the so-called multi-messenger astronomy. In total up to the end of the last O3 observing run, 90 coalescence events were revealed, reaching a rate of one event per week. The detecotors were further improved in view of the next O4 run, to allow an even larger portion of the Universe to be seen. Three of the major upgrades made in Virgo are addressed in this thesis. The first is the implementation of an innovative technique to reduce quantum noise over the entire detection band known as frequency-dependent squeezing. We have successfully implemented this technique up to the first measurement of squeezed states with rotation at a frequency of 25 Hz, which is what is needed to optimise the quantum noise reduction in Virgo. The second contribution concerns the study and mitigation of scattered light from the detector's suspended benches. The scattered light that re-couples with the interferometer's main beam worsens its low-frequency sensitivity and risks hiding the benefit introduced by frequency-dependent squeezing. We made projections of the scattered light noise from the suspended benches, measuring the contribution of some of the optics with the back-scatterometer we built at LAPP. We also mitigated spurious beams on the benches that can create stray light. The third contribution concerns the change of the two output mode cleaner cavities of the detector with a new low loss cavity. The main motivation is to reduce optical losses that degrade squeezing performance. We successfully characterized, installed and commissioned the new cavity. The upgrades described in this thesis for O4 will allow greater sensitivity and thus reveal more distant events, allowing us to uncover some of the secrets hidden in our Universe.