+ All Categories
Home > Documents > Gravitational Waves: Advanced Generation Detectors

Gravitational Waves: Advanced Generation Detectors

Date post: 17-Oct-2021
Category:
Upload: others
View: 5 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
29
Gravitational Waves: Gravitational Waves: Advanced AdvancedGeneration Generation Detectors Detectors Takaaki Kajita ICRR, Univ of Tokyo Acknowledgements: D. Reitze, G. Gonzalez, L. Barsotti, M. Landry, M. Punturo, F. Ferrini, JY. Vinet, G. Losurdo, B. Iyer, K. Danzmann, S. Rowan, H. Grote See also; S. Hughes’s talk, parallel session talks (GW I and II) GW: Advancedgeneration Detectors 1
Transcript
Page 1: Gravitational Waves: Advanced Generation Detectors

Gravitational Waves: Gravitational Waves: AdvancedAdvanced‐‐Generation Generation Detectors Detectors 

Takaaki KajitaICRR, Univ of Tokyo 

Acknowledgements: D. Reitze, G. Gonzalez, L. Barsotti, M. Landry, M. Punturo, F. Ferrini, JY. Vinet, 

G. Losurdo, B. Iyer, K. Danzmann, S. Rowan, H. Grote

See also; S. Hughes’s talk, parallel session talks (GW I and II) 

GW: Advanced‐generation Detectors 1

Page 2: Gravitational Waves: Advanced Generation Detectors

OutlineOutline• Introduction

• Advance generation GW detectors– Initial to Advanced detectors

• Advanced LIGO, Advanced Virgo, GEO

– New advanced detectors• KAGRA

• IndIGO

• Approximate Timeline

• Multi‐messenger astronomy

• Beyond “advanced” generation: Einstein telescope (ET)

• Summary

GW: Advanced‐generation Detectors 2

Page 3: Gravitational Waves: Advanced Generation Detectors

IntroductionIntroduction

GW: Advanced‐generation Detectors 3

Page 4: Gravitational Waves: Advanced Generation Detectors

??

Potential GW sourcesPotential GW sources

Big Bang

BH‐BH binaries NS‐NS binaries

??Spinning NS

Supernova

Super‐massive BH‐BH binaries

High frequencyLow frequency

~1 Hz ~1 kHz

(unexpected)

Ground based laser interferometers

GW: Advanced‐generation Detectors 4

Page 5: Gravitational Waves: Advanced Generation Detectors

Detectors: interferometersDetectors: interferometers

L/L ~ 10‐22L ~ 10‐(16 ~17) cm (for L = 3–4 km)

Laser

Beam spliter

Mirror

Mirror

L1L2

5GW: Advanced‐generation Detectors 5

Page 6: Gravitational Waves: Advanced Generation Detectors

Expected signalExpected signal

NS‐NS merger Supernovae (AU) Ring 

downInspiral

Merger

3D, 11.2 MsunK. Kotake this meeting

Amplitud

e

‐0.1   ‐0.08   ‐0.06   ‐0.04  ‐0.02     0  (second)                                           

(see also H.T. Janka this meeting)

GW: Advanced‐generation Detectors 6

Page 7: Gravitational Waves: Advanced Generation Detectors

GW detectors 10 years agoGW detectors 10 years agoB. Barish TAUP2003

GW: Advanced‐generation Detectors 7

Page 8: Gravitational Waves: Advanced Generation Detectors

Sensitivity achieved so far (LIGO and Virgo)Sensitivity achieved so far (LIGO and Virgo)

Detection Distance(NS‐NS merger)

~10 Mpc (Virgo)

LV arXiv:1203.2674

~20Mpc  (LIGO L &H)

These detectors reached about 100 galaxies.Merger happens only every 10,000 years per galaxy.Need ~10 better sensitivity (reach 100,000 galaxies).   O(10) mergers per year.

GW: Advanced‐generation Detectors 8

Virgo

LIGO (Hanford & Livingston)

Page 9: Gravitational Waves: Advanced Generation Detectors

Advanced generation GW Advanced generation GW detectorsdetectors

KAGRAAd. LIGO GEO600

Ad. Virgo

IndIGO

GW: Advanced‐generation Detectors 9

Page 10: Gravitational Waves: Advanced Generation Detectors

What limits the sensitivity? What limits the sensitivity? F. Raab, TAUP2005Must reduce the 

seismic noiseBetter seismic attenuation system locate the interferometer in a much quieter l

Must reduce the shot noise Stronger (and stable) laser

advance light source (squeezed light) 

place (underground)

Must reduce the thermal noisesBetter suspension  Cryogenic technology  …

Must reduce the radiation pressure noise Heavier test masses

GW: Advanced‐generation Detectors 10

Page 11: Gravitational Waves: Advanced Generation Detectors

How the advanced detectors look like? How the advanced detectors look like? 

3 – 4 km

3 –4 km

3 – 4 km

Advanced LIGO optical layout(Very similar:  Advanced Virgo & KAGRA) 

GW: Advanced‐generation Detectors 11

Page 12: Gravitational Waves: Advanced Generation Detectors

Initial to Advanced detectors Initial to Advanced detectors 

LIGO‐Hanford Virgo

LIGO‐Livingston GEO

GW: Advanced‐generation Detectors 12

Page 13: Gravitational Waves: Advanced Generation Detectors

Advanced GW detectors: Seismic Attenuation Advanced GW detectors: Seismic Attenuation Advanced LIGOMuch more advanced (active, complicated)seismic attenuation and suspension system

Simple Pendulum

Initial LIGO

GW: Advanced‐generation Detectors 13

Page 14: Gravitational Waves: Advanced Generation Detectors

Advanced GW detectors: Seismic Attenuation Advanced GW detectors: Seismic Attenuation Advance VirgoAdvanced Virgo will use the essentially same superattenuators as Virgo.(Good performance demonstrated)

3 m

7.

GW: Advanced‐generation Detectors 14

Page 15: Gravitational Waves: Advanced Generation Detectors

Advanced GW detectors: light source Advanced GW detectors: light source 1. Need more photons:10‐40 W class laser 200 W class laser

Example:Advance LIGO laser system

First demonstration of squeezing2. and/or squeezed light. 

First demonstration of squeezing at a Gravitational‐wave detectorGEO600, Nature Phys. 7, 962 (2011) 

(Similar results from LIGO as well.)

Phase

Amplitu

de 

GW: Advanced‐generation Detectors 15

Page 16: Gravitational Waves: Advanced Generation Detectors

Advanced GW detectors: Advanced GW detectors: thermal noise reduction  thermal noise reduction  

HEAT BATH

Motion

M. Evans, Amaldi 10

Better material with a better mechanical properties are required.Advanced LIGO and Virgo will not use wire suspensions. Instead silica fibers (for the test masses = 4 main mirrors) will be used. Fiber suspension

Wider beam in Advanced detectors

Thermal fluctuation(Brownian noise)

GW: Advanced‐generation Detectors 16

Page 17: Gravitational Waves: Advanced Generation Detectors

Advanced GW detectors: Advanced GW detectors: better and heavier mirrorsbetter and heavier mirrors

Advanced LIGOBoth Advanced LIGO and Advanced Virgo will use better and heavier mirrors. LIGO 10kg  Advance LIGO 40kgVirgo 20 kg Ad anced Virgo 42kg

300‐400kW per arm

Virgo 20 kg  Advanced Virgo 42kg

0.2 nm rms on 160 mm diameter (Advanced Virgo).

The residual (Ad. Virgo)Polished surface

GW: Advanced‐generation Detectors 17

Page 18: Gravitational Waves: Advanced Generation Detectors

New advanced detectors New advanced detectors 

IndIGO (LIGO India)KAGRA

GW: Advanced‐generation Detectors 18

Page 19: Gravitational Waves: Advanced Generation Detectors

Tokyo

K

New advanced detectors: New advanced detectors: 1. 1. KAGRA  KAGRA  

(Mitaka)

Kamioka

Amplitude of seismic motion

KAGRA is an advanced GW detector with 3km arm lengths. Many features are similar to Ad. LIGO and Ad. Virgo. However, there are 2 noticeable differences; 1) Located underground, 2) Directly reduces the thermal 

noise using cryogenic mirrors. GW: Advanced‐generation Detectors 19

Page 20: Gravitational Waves: Advanced Generation Detectors

New advanced detectors: New advanced detectors: 1. KAGRA (Underground)  1. KAGRA (Underground)  

To laser room To Y‐arm To X‐arm(Dec. 2012)From the corner station

Approximately 2/3 excavated

Y‐arm

Approximately 2/3 excavated.1.7km/3km of the X‐arm excavated.2.35km /3km of the Y‐arm excavated.2/3 experimental area excavated.

Will finish in March 2013.

GW: Advanced‐generation Detectors 20

Page 21: Gravitational Waves: Advanced Generation Detectors

New advanced detectors: New advanced detectors: 1. KAGRA (Cryogenic) 1. KAGRA (Cryogenic) to Seismic Attenuation 

Cryo‐cooler (4 units)

CryostatDiameter 2.4mHeight ~3.8mM ~ 10 ton

Radiationshield 

GW: Advanced‐generation Detectors 21

Feb. 2013

4 cryostat for the main mirrors were produced and tested. Production of sapphire crystals of 23kg (22cm diameter and 15cm thick) started.  (The quality yet to be measured. They are not polished yet.)  

Page 22: Gravitational Waves: Advanced Generation Detectors

New advanced detectors: New advanced detectors: 2. 2. IndIGOIndIGO (LIGO India) (LIGO India) Construction and Operation of a Advanced LIGO Detector in India in collaboration with the LIGO Lab.    

hardware components of the Ad. LIGO detector designs and software 

infrastructure (including the 4+4 km beam tubes, etc) team to build and operate the Observatory 

August 2012:   National Science Board (USA) approved the proposed Advanced LIGO Project change in scope, enabling plans for the relocation of an advanced detector to India.Sept 2013:  Expected submission of  note from Department of Atomic Energy (DAE, India) for Cabinet approval of the LIGO‐India Project.Starting operation by 2020.

p y

LIGO‐USA and its partners. India

GW: Advanced‐generation Detectors 22

Page 23: Gravitational Waves: Advanced Generation Detectors

Comparison of sensitivities Comparison of sensitivities GWIC report (2010)

Ad.‐LIGO (USA), Ad‐Virgo (Europe), KAGRA similar design sensitivities

KAGRA

GW: Advanced‐generation Detectors 23

(+IndIGO)

Page 24: Gravitational Waves: Advanced Generation Detectors

Approximate Time lineApproximate Time line

2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020

Advanced LIGO

Advanced Virgo

GEO

KAGRA

IndIGO

Construction, integration Commissioning Operation

Note: the definition for integration and commissioning depends on the project.  

GW: Advanced‐generation Detectors 24

Page 25: Gravitational Waves: Advanced Generation Detectors

Projected sensitivitiesProjected sensitivitiesarXiv:1304.0670

“Likely” detection during the         Mid period (2016‐2017 Ad. LIGO, 2017‐18 Ad. Virgo)KAGRA will start observation in 2017, but the detection range as a function of time not evaluated yet.With the “design” sensitivity, typical NS‐NS rate will be ~10 (Ad. Virgo, KAGRA) to ~40 (Ad. LIGO).

GW: Advanced‐generation Detectors 25

Page 26: Gravitational Waves: Advanced Generation Detectors

Importance of Global GW Network: Angular res.Importance of Global GW Network: Angular res.

Determination of source sky position: 95%CL, supernova, S/N =10 

Wen and Chen, arXiv: 1003:2504

LIGO (L+H) + Virgo

LIGO (L+H) + Virgo+KAGRA

GW: Advanced‐generation Detectors 26

LIGO(L+H)+Virgo

(With IndIGO and GEO, the angular resolution should be even better.)

KAGRA project ‐‐ Takaaki Kajita 26

LHVKLHVK

Page 27: Gravitational Waves: Advanced Generation Detectors

MultiMulti‐‐messenger astronomy:messenger astronomy:Example: Short Gamma Ray BurstExample: Short Gamma Ray Burst

Gravitational wave(Ad.LIGO, Ad.Vergo, 

KAGRA, IndIGO ) 

NS‐NS binary might be a progenitor of Short‐GRB ?

GW: Advanced‐generation Detectors 27

Gamma ray, neutrino and optical observations

Page 28: Gravitational Waves: Advanced Generation Detectors

Beyond “advanced” Beyond “advanced” generation: generation: Einstein Telescope Einstein Telescope (ET)(ET)

Cryo and room temp. 

Another 1 order improvement in sensitivityA lot of science!R&D going on with the ASPERA frameworkJoint R&D effort with KAGRA (ELiTES) Start science run in the late 2020’s ?

y pinterferometers

GW: Advanced‐generation Detectors 28

Page 29: Gravitational Waves: Advanced Generation Detectors

SummarySummary

• A lot of activities are going on toward the detection of gravitational waves with the advanced detectors in Amorica (Advanced LIGO), Europe (Advanced Virgo, GEO) and Asia (KAGRA, IndIGO).

TAUP2015:  Advanced detector(s) started operation.( ) pTAUP2017:  First GW signal!TAUP2019:  >3 fold coincidence with detectors in  

North America, Europe and Asia!TAUP2021:  5 deg2 determination of GW source and 

“multi‐messenger astronomy w/ GW”! TAUP202X: Many GW science results!

GW: Advanced‐generation Detectors 29


Recommended