Looking for Monochromatic GW Signals in ALLEGRO s Data

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1 Looking for Monochromatic GW Signals in ALLEGRO s Data Rubens Marinho and Fernanda Gomes 1 Nadja Magalhães 2 Ricardo Pires, Carlos Frajuca and Rafael Melo 3 Odylio D. Aguiar 4 1 Departamento de Física Instituto Tecnológico de Aeronáutica ITA 2 Universidade Federal de São Paulo UNIFESP Campus Diadema 3 Centro Federal de Educação Tecnológica de São Paulo CEFETSP 4 Divisão de Astrofísica Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais INPE ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

2 Outline 1 The Gravitational Wave Detector ALLEGRO ALLEGROS s Model Aquisition System 2 Data Analysis Burst Signals Monocromatic GW Signals Parameters Estimation 3 Conclusions ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

3 The Gravitational Wave Detector ALLEGRO The Gravitational Wave Detector ALLEGRO Antenna caracteristics Louisiana State University Material Aluminum alloy 5056 Physical mass 2296 kg Diameter 60 cm Length 3 m Therm. temperature 4.2 K First long. mode 913 Hz Minus mode Hz Lockin reference frequency Hz Mode Plus Hz Longitude o W Latitude o N ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

4 Outline The Gravitational Wave Detector ALLEGRO ALLEGROS s Model 1 The Gravitational Wave Detector ALLEGRO ALLEGROS s Model Aquisition System 2 Data Analysis Burst Signals Monocromatic GW Signals Parameters Estimation 3 Conclusions ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

5 The Gravitational Wave Detector ALLEGRO ALLEGROS s Model ALLEGROS s Model m 1 ẍ 1 + h 1 ẋ 1 + k 1 x 1 h 2 ẋ 2 k 2 x 2 = F 1 F 2 + F T m 1lḧxx m 2 (ẍ 2 + ẍ 1 ) + h 2 ẋ 2 + k 2 x 2 = F 2 F T ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

6 Outline The Gravitational Wave Detector ALLEGRO Aquisition System 1 The Gravitational Wave Detector ALLEGRO ALLEGROS s Model Aquisition System 2 Data Analysis Burst Signals Monocromatic GW Signals Parameters Estimation 3 Conclusions ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

7 The Gravitational Wave Detector ALLEGRO Aquisition System ALLEGRO s data aquisition system ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

8 The Gravitational Wave Detector ALLEGRO Data Aquisition Aquisition System The signal s from the SQUID is sent to the lockin The lockin demodulates and low pass the signal: z = e i2π(f f ref) H[s] The reference frequency of the lockin f ref is set halfway betwen the frequency of the plus and minus mode The output of the lockin is the in phase x = R[z] and quadrature y = I[z] The signal is sent to a A/D converter with sampling frequency of 125 Hz The resulting data is save in file for digital processing ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

9 The Gravitational Wave Detector ALLEGRO Raw Data x and y Aquisition System Blue: in phase x Red: minus mode Yellow: signal put by hand ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

10 The Gravitational Wave Detector ALLEGRO Aquisition System Power Spectral Density of the Noise ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

11 Outline Data Analysis Burst Signals 1 The Gravitational Wave Detector ALLEGRO ALLEGROS s Model Aquisition System 2 Data Analysis Burst Signals Monocromatic GW Signals Parameters Estimation 3 Conclusions ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

12 Mached Filter Data Analysis Burst Signals Given a signal m(t) embedded in noise (a sthocastic process) f (t) = m(t) + n(t) and the filtered version with the filter k(t) φ(t) = µ(t) + ν(t), we have a matched filter if it produces the maximum signal to noise ratio In frequency domain this filter is ρ = µ(t 0) 2 var[ν(t)] and K(w) = ce iwt 0 M (w) S n (w) ρ = 1 M(w) 2 2π S n (w) dw ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

13 Filtered Signal Data Analysis Burst Signals Red: filtered signal with matched filter (ρ 10) Yellow: raw data x 10 4 Raw and filtered data If the signal is slightly different from the template the signal to noise ratio is severely degraded If the signal have unknown parameters, we need many templates to span the entire space of parameters ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

14 Outline Data Analysis Monocromatic GW Signals 1 The Gravitational Wave Detector ALLEGRO ALLEGROS s Model Aquisition System 2 Data Analysis Burst Signals Monocromatic GW Signals Parameters Estimation 3 Conclusions ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

15 Data Analysis Monocromatic GW Signals Monochromatic GW Signals (MGW) Let us suppose that we are receiving a MGW of the form h + = A cos(ν s t + α) Because of the translational and rotational movement of the Earth the signal received is Doppler shifted ( ν = ν s γ 1 + n v ) c If the GW signal comes from a star in the direction n, the Doppler shift is ν = ν s + ν s c n v = ν s + ν s c [( wr cos θ sin wt ΩR sin Ωt) n x + (wr cos θ cos ɛ cos wt + ΩR cos Ωt) n y wr cos θ sin ɛ cos wt n z ] ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

16 Data Analysis Monocromatic GW Signals The Expression for Doppler Shift ν For a source with Hz (mystery mode) the Doppler shift is ν = (1.186 sin wt sin Ωt)n x +(1.088 cos wt cos Ωt)n y cos wt n z [mhz] The minimum diurnal Doppler shift variation ν = mhz The maximum annual Doppler shift variation ν = mhz ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

17 Data Analysis Monocromatic GW Signals Power Spectral Density of the Noise Analysis of the mystery mode behavior ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

18 Data Analysis Monocromatic GW Signals The Data Analysis (Digital Lockin) Digital lockin: For each 1200 s of data z = x + iy, We obtain the analytic function z p, the preenvelope, with the help of the Hilbert transform z p = H[z]. Then we demodulate the frequency of this peak down to zero obtaining the complex envelope, z = e 2πi(f mysterymode f ref )t z p. We are interested in signals with maximum frequency of Hz. then we filter the signal with a low pass filter with a cutoff frequency of 0.2 Hz. We have tracked the mystery mode peack for 100 days. ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

19 Data Analysis Monocromatic GW Signals The Data Analysis (Digital Lockin) Digital lockin: For each 1200 s of data z = x + iy, We obtain the analytic function z p, the preenvelope, with the help of the Hilbert transform z p = H[z]. Then we demodulate the frequency of this peak down to zero obtaining the complex envelope, z = e 2πi(f mysterymode f ref )t z p. We are interested in signals with maximum frequency of Hz. then we filter the signal with a low pass filter with a cutoff frequency of 0.2 Hz. We have tracked the mystery mode peack for 100 days. ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

20 Data Analysis Monocromatic GW Signals The Data Analysis (Digital Lockin) Digital lockin: For each 1200 s of data z = x + iy, We obtain the analytic function z p, the preenvelope, with the help of the Hilbert transform z p = H[z]. Then we demodulate the frequency of this peak down to zero obtaining the complex envelope, z = e 2πi(f mysterymode f ref )t z p. We are interested in signals with maximum frequency of Hz. then we filter the signal with a low pass filter with a cutoff frequency of 0.2 Hz. We have tracked the mystery mode peack for 100 days. ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

21 Data Analysis Monocromatic GW Signals The Data Analysis (Digital Lockin) Digital lockin: For each 1200 s of data z = x + iy, We obtain the analytic function z p, the preenvelope, with the help of the Hilbert transform z p = H[z]. Then we demodulate the frequency of this peak down to zero obtaining the complex envelope, z = e 2πi(f mysterymode f ref )t z p. We are interested in signals with maximum frequency of Hz. then we filter the signal with a low pass filter with a cutoff frequency of 0.2 Hz. We have tracked the mystery mode peack for 100 days. ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

22 Data Analysis Monocromatic GW Signals The Data Analysis (Digital Lockin) Digital lockin: For each 1200 s of data z = x + iy, We obtain the analytic function z p, the preenvelope, with the help of the Hilbert transform z p = H[z]. Then we demodulate the frequency of this peak down to zero obtaining the complex envelope, z = e 2πi(f mysterymode f ref )t z p. We are interested in signals with maximum frequency of Hz. then we filter the signal with a low pass filter with a cutoff frequency of 0.2 Hz. We have tracked the mystery mode peack for 100 days. ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

23 Data Analysis Monocromatic GW Signals Power Spectral Density of the complex envelope z ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

24 Data Analysis Monocromatic GW Signals Doppler shift variation of the Mystery Mode Peak For each 1200 s of data we obtain a new temporal series with the frequency of the mystery mode peak If this peack where a GW signal we should observe two peaks one with the Hz and another with Hz in the magnitude of the Fourier transform of ν 0.4 Doppler Shift Variation 0.2 ν (Hz) Days Magnitude of F[ ν] F[ ν] Hz x 10 5 ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

25 Outline Data Analysis Parameters Estimation 1 The Gravitational Wave Detector ALLEGRO ALLEGROS s Model Aquisition System 2 Data Analysis Burst Signals Monocromatic GW Signals Parameters Estimation 3 Conclusions ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

26 Bayesian Estimation Data Analysis Parameters Estimation As you have seen the Doppler shift is of the form ν = A cos(wt + α) + B cos(ωt + β) + C where A, B, α and β depend on n x, n y, n z and C a noise Basically these parameters are extimated with the following algorithm Let us start with the Bayes theorem Bayes Theorem P(H D) = P(D H)P(H) P(D) In the case of data analysis (simple problem of radioative decay) p(λ t) = e λt p(λ) N ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

27 Parameters Estimation Data Analysis Parameters Estimation Algorithm Put the prior p(h) = 1 in the region of interest of the parameters. Notice that if we have enouth data the prior is irrelevant while there exist the n th amount of data to process do end p(h D n ) = p(d n H)p(H D n 1 )/N here, N is a normalization constant, H stands form the set of parameters A, α, B, β, C, and p(h D 0 ) = p(h) is the prior. ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

28 Conclusions Conclusions The Challenge Continues! Thank You ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

29 Conclusions Conclusions The Challenge Continues! Thank You ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

30 Conclusions Conclusions The Challenge Continues! Thank You ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

31 Bibliogrraphy Conclusions The ALLEGRO detector homepage is sam.phys.lsu.edu. Mauceli, E. et al.; Phys. Rev. D 54, Mauceli, E., McHugh, M. P., Hamilton, W. O., Johnson, W. W. and Morse, A. Search for periodic gravitational radiation with the Allegro gravitational wave detector. ArXiv:gr-qc/ v1, July 11, E.S.Matos, O. D. Aguiar, R. M. Marinho Jr., W. O. Hamilton, W. W. Johnson and I. S. Heng; Class. Quan. Grav. 21,2004S787 A. V. Oppenheim and R. W. Schafer. Discrete-Time Signal Processing. Prentice Hall International, P. D. Welch. The Use of the Fast Fourier Transform for the Estimation of Power Spectra. IEEE Transactions on Audio Electroacoustics, AU-15,(June 1970),70-73 ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

32 Bibliogrraphy Conclusions The ALLEGRO detector homepage is sam.phys.lsu.edu. Mauceli, E. et al.; Phys. Rev. D 54, Mauceli, E., McHugh, M. P., Hamilton, W. O., Johnson, W. W. and Morse, A. Search for periodic gravitational radiation with the Allegro gravitational wave detector. ArXiv:gr-qc/ v1, July 11, E.S.Matos, O. D. Aguiar, R. M. Marinho Jr., W. O. Hamilton, W. W. Johnson and I. S. Heng; Class. Quan. Grav. 21,2004S787 A. V. Oppenheim and R. W. Schafer. Discrete-Time Signal Processing. Prentice Hall International, P. D. Welch. The Use of the Fast Fourier Transform for the Estimation of Power Spectra. IEEE Transactions on Audio Electroacoustics, AU-15,(June 1970),70-73 ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

33 Bibliogrraphy Conclusions The ALLEGRO detector homepage is sam.phys.lsu.edu. Mauceli, E. et al.; Phys. Rev. D 54, Mauceli, E., McHugh, M. P., Hamilton, W. O., Johnson, W. W. and Morse, A. Search for periodic gravitational radiation with the Allegro gravitational wave detector. ArXiv:gr-qc/ v1, July 11, E.S.Matos, O. D. Aguiar, R. M. Marinho Jr., W. O. Hamilton, W. W. Johnson and I. S. Heng; Class. Quan. Grav. 21,2004S787 A. V. Oppenheim and R. W. Schafer. Discrete-Time Signal Processing. Prentice Hall International, P. D. Welch. The Use of the Fast Fourier Transform for the Estimation of Power Spectra. IEEE Transactions on Audio Electroacoustics, AU-15,(June 1970),70-73 ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

34 Bibliogrraphy Conclusions The ALLEGRO detector homepage is sam.phys.lsu.edu. Mauceli, E. et al.; Phys. Rev. D 54, Mauceli, E., McHugh, M. P., Hamilton, W. O., Johnson, W. W. and Morse, A. Search for periodic gravitational radiation with the Allegro gravitational wave detector. ArXiv:gr-qc/ v1, July 11, E.S.Matos, O. D. Aguiar, R. M. Marinho Jr., W. O. Hamilton, W. W. Johnson and I. S. Heng; Class. Quan. Grav. 21,2004S787 A. V. Oppenheim and R. W. Schafer. Discrete-Time Signal Processing. Prentice Hall International, P. D. Welch. The Use of the Fast Fourier Transform for the Estimation of Power Spectra. IEEE Transactions on Audio Electroacoustics, AU-15,(June 1970),70-73 ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

35 Bibliogrraphy Conclusions The ALLEGRO detector homepage is sam.phys.lsu.edu. Mauceli, E. et al.; Phys. Rev. D 54, Mauceli, E., McHugh, M. P., Hamilton, W. O., Johnson, W. W. and Morse, A. Search for periodic gravitational radiation with the Allegro gravitational wave detector. ArXiv:gr-qc/ v1, July 11, E.S.Matos, O. D. Aguiar, R. M. Marinho Jr., W. O. Hamilton, W. W. Johnson and I. S. Heng; Class. Quan. Grav. 21,2004S787 A. V. Oppenheim and R. W. Schafer. Discrete-Time Signal Processing. Prentice Hall International, P. D. Welch. The Use of the Fast Fourier Transform for the Estimation of Power Spectra. IEEE Transactions on Audio Electroacoustics, AU-15,(June 1970),70-73 ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

36 Bibliogrraphy Conclusions The ALLEGRO detector homepage is sam.phys.lsu.edu. Mauceli, E. et al.; Phys. Rev. D 54, Mauceli, E., McHugh, M. P., Hamilton, W. O., Johnson, W. W. and Morse, A. Search for periodic gravitational radiation with the Allegro gravitational wave detector. ArXiv:gr-qc/ v1, July 11, E.S.Matos, O. D. Aguiar, R. M. Marinho Jr., W. O. Hamilton, W. W. Johnson and I. S. Heng; Class. Quan. Grav. 21,2004S787 A. V. Oppenheim and R. W. Schafer. Discrete-Time Signal Processing. Prentice Hall International, P. D. Welch. The Use of the Fast Fourier Transform for the Estimation of Power Spectra. IEEE Transactions on Audio Electroacoustics, AU-15,(June 1970),70-73 ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

37 Bibliography Conclusions A. Papoulis. Probability, Random Variables and Stochastic Processes. 2nd ed. McGraw-Hill Book Company, New York, E. Mauceli. Data Analysis of the ALLEGRO Gravitational Wave Detector. Ph.D. thesis, Louisiana State University, MATLAB. Version (R14). The MathWorks, Inc., See also at C. W. Misner, K. S. Thorne and J. A. Wheeler. Gravitation. W. H. Freeman & Co., ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

38 Bibliography Conclusions A. Papoulis. Probability, Random Variables and Stochastic Processes. 2nd ed. McGraw-Hill Book Company, New York, E. Mauceli. Data Analysis of the ALLEGRO Gravitational Wave Detector. Ph.D. thesis, Louisiana State University, MATLAB. Version (R14). The MathWorks, Inc., See also at C. W. Misner, K. S. Thorne and J. A. Wheeler. Gravitation. W. H. Freeman & Co., ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

39 Bibliography Conclusions A. Papoulis. Probability, Random Variables and Stochastic Processes. 2nd ed. McGraw-Hill Book Company, New York, E. Mauceli. Data Analysis of the ALLEGRO Gravitational Wave Detector. Ph.D. thesis, Louisiana State University, MATLAB. Version (R14). The MathWorks, Inc., See also at C. W. Misner, K. S. Thorne and J. A. Wheeler. Gravitation. W. H. Freeman & Co., ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

40 Bibliography Conclusions A. Papoulis. Probability, Random Variables and Stochastic Processes. 2nd ed. McGraw-Hill Book Company, New York, E. Mauceli. Data Analysis of the ALLEGRO Gravitational Wave Detector. Ph.D. thesis, Louisiana State University, MATLAB. Version (R14). The MathWorks, Inc., See also at C. W. Misner, K. S. Thorne and J. A. Wheeler. Gravitation. W. H. Freeman & Co., ITA (ITA)Challenges of New Physics in Space Campos do Jordão / 26

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