Détection d`ondes gravitationnelles par des ondes de matière: l

Détection d'ondes gravitationnelles par des ondes
de matière: l'expérience MIGA
Jonathan Gillot, Andrea Bertoldi, Benjamin Canuel,Isabelle Riou,
Sebastian Schmid et Philippe Bouyer
Laboratoire de Photonique Numérique et Nanosciences, Talence (France)
Sommaire

Détection des ondes gravitationnelles par interférométrie
Effet d'une onde gravitationnelle
Quelques détecteurs actuels

Principe de l'expérience MIGA
Interféromètre atomique: principe
Schéma de principe de l'expérience

Un environnement spécial pour MIGA
Le LSBB
Défis techniques

Avancement de MIGA
Tests préliminaires
Prototype MIGA-LP2N
Détection des ondes gravitationnelles par
interférométrie.
Détection des ondes gravitationnelles
par interférométrie
●
Onde gravitationnelle: produite par des
sources astrophysiques.
●
Sur Terre, faible amplitude (h ≈ 10-20 – 10-21)
●
Basse fréquence en général (f ≈ 0,1 Hz – 1 kHz)
Effet d'onde gravitationnelle sur une cavité optique:
Direction de
propagation
Détection des ondes gravitationnelles
par interférométrie
Interféromètres de Michelson:
●
VIRGO
●
LIGO
●
GEO 600
Deux miroirs sont ajoutés pour coupler
des cavités Fabry-Pérot au Michelson
Miroirs et optiques en "chute libre"
Passage d'une onde gravitationnelle
Mise en mouvement des optiques
Déphasage sur le signal interférométrique
δ ϕ=
4π L
h
λ
Sensibilité d'interféromètres au sol
Sensibilité théorique de VIRGO
Plusieurs sources de bruit dont:
- Sismique
- Thermique
- Shot noise
Sensibilités de LIGO et VIRGO
Mauvaise sensibilité pour f < qql. Hz
Beaucoup de sources astrophysiques
émettant dans les basses fréquences.
Principe de l'expérience MIGA
Interférométrie atomique: principe
Comme pour tout interféromètre à deux
ondes:
- Le système emprunte les deux
chemins.
- Interférences d’ondes cohérentes
entre elles.
- Application d’une perturbation sur un
seul ou deux chemins
déphasage.
A toute particule, on associe une longueur
d'onde
Possibilité de diffracter la particule matérielle
Interférométrie atomique: diffraction de Bragg
Diffraction de l'atome à l'aide d'une onde
stationnaire.
Fréquence laser quasi-résonnante avec une
transition atomique.
Un seul ordre de diffraction
deux chemins.
seulement
Amplitude de diffraction réglable avec la
puissance laser et le temps d'interaction.
Processus élastique.
Principe de l'expérience MIGA
π
Equivalent atomique de
l'interféromètre de Mach-Zehnder
optique.
250 ms
π/2
Lancement
d'une boule
d'atomes
Détection
π/2
π
π/2
Gradient de champ appliqué
Modification de la trajectoire de l'atome
Déphasage
t
Principe de l'expérience MIGA
●
●
●
●
●
Etape 1 : refroidissement
d'atomes de 87Rb.
Etape 2: préparation des atomes
dans un état quantique.
Etape 3: lancement de boules de
106 atomes toutes les 500 ms.
Etape 4: diffraction des atomes
par les faisceaux Bragg à 780nm.
Etape 5: détection des atomes.
Principe de l'expérience MIGA
Objectif: Séparer les contributions des effets inertiels et des ondes
gravitationnelles
Injection par la gauche, par la droite puis par les deux
côtés à la fois:
4 π ν0
ν0
4π
s x2+
−sδ v + s h ( X − L)+s I ( X )+ s̃
c
c
2
[
Gauche
S φ ( X )=
Droite
S ' φ ( X )=
Les deux S T ( X )=
]
4 π ν0
ν0
4π
s x1 +
−s δ v + s h X +s I ( X )+ ̃s '
c
c
2
[
]
2 π ν0
ν0
4π
(s x1 +s x2 )−
−s δv + s h ( L− X )+s I ( X )+ ̃s ' '
c
c
2
[
Déphasage dû à une onde gravitationnelle:
S GW ≡S φ+S ' φ−2 S T =
ν0
4π L
−sδ v + sh + S̃
c
2
[
]
Déphasage dû aux effets inertiels:
S geo ≡S φ −
4 π ν0
X −L
S GW =
s x2+s I ( X )+ S̃ '
L
c
]
Principe de l'expérience MIGA
Trois interféromètres atomiques couplés avec une cavité optique.
Sensibilité en h attendue: 10−12 / √ Hz à 1 Hz pour 106 atomes, 2 ℏ k et L=200 m.
Sensibilité aux gradients entre deux interféromètres: 10−12 s−2 / √ Hz
Un environnement spécial pour MIGA
Environnement MIGA: Réduction du bruit
sismique
Détection des ondes
gravitationnelles à basse
fréquence limitée par le bruit
sismique.
Recherche d'un
environnement à faible
activité sismique.
Environnement MIGA: le LSBB de Rustrel
Ancienne base souterraine de la force de dissuasion
nucléaire.
Le laboratoire se trouve sous une montagne, à 500 m
de profondeur.
Bruit sismique et champ magnétique faibles.
Sont surveillés:
l'hydrologie du site
le tilt de la montagne
la sismicité du site
Possibilité de corréler les mesures
interférométriques avec les mesures
géophysiques.
Environnement MIGA: défis techniques
Creusement de nouvelles galeries
pour accueillir MIGA.
Environnement humide et clos.
Ultravide dans une enceinte de très grande
dimension.
Filtrage du bruit sismique à l'aide de suspensions
(conception tirée de VIRGO).
Avancement de MIGA
Avancement de MIGA: Prototype MIGA - LP2N
MIGA - Rustrel à échelle
réduite (environ 6m de long).
Utilisation des suspensions
prévues pour MIGA – Rustrel.
Permettra de tester tous les
sous-sytèmes qui seront
installés à Rustrel.
Avancement de MIGA: les premiers tests
1m
5 cm
Permettra de tester la zone de
préparation-interrogation.
Mise au point de l'asservissement du
laser à 1560 nm, du schéma
interrogatif, etc.
Réalisation en cours.
Schéma de fonctionnement
proche de celui de MIGA –
Rustrel.
Conclusion
●
●
Détecteur d'ondes gravitationnelles d'un nouveau type.
Permet de séparer les déphasages dus aux effets inertiels des
déphasages dus aux ondes gravitationnelles.
●
Installation dans un environnement à bas bruit.
●
Défis techniques importants.
●
Les tests préliminaires vont commencer prochainement.
Merci de votre attention !
Détection des ondes gravitationnelles
par interférométrie
Interféromètres de Michelson:
●
VIRGO
●
LIGO
●
GEO 600
Miroirs et optiques en "chute libre"
Finir ou virer l'animatio
Passage d'une onde gravitationnelle
Mise en mouvement des optiques
Déphasage sur le signal interférométrique