Réduction du bruit quantique des détecteurs d'ondes gravitationnelles

Quantum-noise reduction of gravitational-wave detectors

• Auteur / Autrice : Paul Stevens
• Direction : Nicolas Leroy
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Science des Astroparticules et Cosmologie
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulat
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des deux Infinis Irène Joliot-Curie
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Optique quantique

Virgo

Ondes gravitationnelles

Squeezing

Virgo

Quantum optics

Squeezing

Gravitational wave

Résumé

Depuis la première détection d'ondes gravitationnelles en 2015, les détecteurs LIGO, Virgo et maintenant KAGRA travaillent à l'amélioration de leurs instruments pour permettre la détection de nouvelles sources (en augmentant le volume d'univers observable ainsi que le rapport signal/bruit) et une meilleure compréhension de ces phénomènes. La dernière campagne de prise de données, effectuée entre 2019 et 2020, a permis de détecter une centaine de coalescences de systèmes binaires d'objets compacts. La prise de données suivante devrait atteindre un nombre au moins deux fois plus important pour la même durée d'observation. Ces instruments ont une sensibilité leur permettant de détecter des variations relatives de longueurs de 10-22m/sqrt(Hz) au-delà de 10 Hz. L'une des sources principales de bruit est due à la nature quantique de la lumière circulant dans les interféromètres géants. Celle-ci se traduit par des fluctuations de pression de radiation à basses fréquences et du bruit de grenaille à plus hautes fréquences. Ces deux composantes varient par rapport à la puissance injectée dans l'instrument mais de manière opposée, empêchant d'utiliser ce biais pour optimiser les deux en même temps. Afin de pouvoir continuer à améliorer la sensibilité des détecteurs les collaborations LIGO, Virgo et KAGRA ont recours aux techniques d'états comprimés de la lumière dépendant de la fréquence. Le but de cette thèse est de travailler sur cette technique à la fois sur une plateforme expérimentale à l'IJCLab (CALVA /Exsqueez) mais également sur l'interféromètre Virgo situé à côté de Pise en Italie. Il s'agira de mettre en place une source d'états comprimés sous vide pour résoudre les problèmes attendus d'après les observations effectuées sur le système actuel (bruits acoustiques, lumière diffusée, …). En parallèle la personne travaillera également à l'étude d'une nouvelle géométrie de cavité de filtrage en fréquence des états comprimés utilisée dans le système pour une installation possible dans une prochaine étape de Virgo ou pour la nouvelle génération d'instruments en préparation (Einstein Telescope) et qui pourra être testée sur le système CALVA au laboratoire. Ce travail se fera au sein d'une collaboration avec le LKB ainsi qu'au sein de la collaboration internationale Virgo.

Since the first detection of gravitational waves in 2015, the LIGO, Virgo, and now KAGRA detectors have been working to improve their instruments to enable the detection of new sources (by increasing the volume of observable universe as well as the signal-to-noise ratio) and a better understanding of these phenomena. The latest observation run, performed between 2019 and 2020, detected about 100 coalescences of binary systems of compact objects. The next observation run should detect at least twice as many for the same observation time. These instruments have a sensitivity that allows them to detect relative length variations of 10-22m/sqrt(Hz) beyond 10 Hz. One of the main sources of noise is due to the quantum nature of the light circulating in the giant interferometers. This results in radiation pressure fluctuations at low frequencies and shot noise at higher frequencies. These two components vary with respect to the power injected into the instrument but in opposite ways, preventing the use of this bias to optimize both at the same time. In order to continue improving the sensitivity of the detectors, the LIGO, Virgo and KAGRA collaborations are using frequency-dependent squeezing techniques. The goal of this thesis is to work on this technique both on an experimental platform at IJCLab (CALVA /Exsqueez) and on the Virgo interferometer located near Pisa in Italy. The aim will be to set up a vacuum squeezing source to solve the expected problems based on the observations made with the current set-up (acoustic noise, scattered light, ...). In parallel the person will also study a new geometry for the filtering cavity used in the set-up, in view of a possible implementation in a next stage of Virgo or in the upcoming generation of instruments (Einstein Telescope), and which could be tested on the CALVA system in the laboratory. This work will be done in collaboration with the LKB and within the international Virgo collaboration.