Desenvolvimento de Metodologias em Análise de Dados no Estudo de Detectores e Fontes de Ondas Gravitacionais. Cesar Costa

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1 z Desenvolvimento de Metodologias em Análise de Dados no Estudo de Detectores e Fontes de Ondas Gravitacionais Cesar Costa Supervisor: Odylio Denys Aguiar PCI/MCTI/INPE Dezembro, 2013

2 Ondas Gravitacionais Newton reconheceu a gravidade como uma força atuando a distância. Se uma massa mudasse de posição o Universo todo tomaria conhecimento instantaneamente. Espaço infinitamente rígido. Einstein postulou que nenhuma informação deveria viajar mais rápido que a velocidade da luz, c. Algum mecanismo deveria transmitir a informação gravitacional. Espaço-tempo muito rígido, mas não infinitamente. Ondas gravitacionais são perturbações no espaço-tempo local. Aparecem como soluções ondulatórias para as Equações de Campo de Einstein. Estas perturbações são medidas como oscilações na métrica do espaço-tempo h= L/L. Possuem duas polarizações (+ e x) 2

3 Fontes Astrofísicas Amplitudes são muito pequenas, h~ Infelizmente, tais eventos são raros. Para a escala de quilômetros, L~ Isto é 1/1000 diâmetro de um próton. Somente fontes astrofísicas poderiam produzir tais amplitudes. Fontes mais prováveis coalescência de objetos compactos (NS-NS, NS-BH, BH-BH) Supernovas (somente as próximas) Pulsares Fundo estocástico 3

4 Medindo Ondas Gravitacionais 4

5 Projeto Objetivos Pesquisar, desenvolver e inovar métodos, técnicas e algoritmos nas áreas de modelagem matemática, estatística aplicada, simulação e otimização de sistemas por meio da participação em projetos de pesquisa em detectores e fontes de ondas gravitacionais, visando desenvolver ferramentas para análise e soluções de problemas instrumentais. A realização destes objetivos dar-se-á pela participação no desenvolvimento instrumental e análise de dados dos detectores de ondas gravitacionais LIGO e Mario Schenberg. O INPE, através do Grupo de Ondas Gravitacionais da Divisão de Astrofísica (GWINPE), é agora membro da LIGO Scientific Collaboration, e tem como parte de sua participação a colaboração com o grupo de trabalho Detector Characterization (DetChar). 5

6 LIGO Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO) Dois detectores (Hanford, WA, and Livingston, LA) Interferômetro Michelson com braços de 4km Cavidades Fabry-Pérot armazena ~1kW Construído para ser um referencial inercial na Terra. 6

7 Ruído e Transientes Curva de Sensibilidade Espectro Estacionário Física conhecida Sísmico, gás residual, ruído térmico, shot noise, etc Transientes (Glitches) Transientes não-gaussianos Devido a efeitos de origem instrumental ou ambiental Efeitos indesejáveis na sensibilidade do instrumento 7

8 Acoplamento Ambiental 8

9 Acoplamento Instrumental 9

10 LIGO S6 DetChar Group LIGO Scientific Collaboration (LSC) conta com ~750 membros de diversas instituições internacionais ao redor do globo. INPE é agora instituição participante (P.I. Odylio D. Aguiar) Grupos SUS e Detchar DetChar engaja vários membros da LSC Tipicamente ~20 pessoas participam de duas telecons semanais Análise de canais auxiliariares (~200) para detectar problemas instrumentais e ambientais que poderiam afetar o canal gravitacional ( DARM_ERR -> h(t)). Longa lista de tarefas, para garantir a qualidade e confiabilidade dos dados para os algoritmos de busca por ondas gravitacionais 10

11 Qualidade de dados (Data Quality) Compara h(t) (ou, DARM_ERR) com canais auxiliares. Coincidências temporais apontam para prováveis culpados Data quality flags isola alguns tempos de mal comportamento. h(t) Channel X Channel Y time 11

12 Critical Coupling Likelihood Motivação Cumprir as expectativas relatadas no White Paper do LIGO Objetivos para Busca por Sinais Integrar informação de DQ information into search limpar 99% dos transientes de detector isolados Objetivos Instrumentais Identificar acoplamentos e propriedades Melhorar a informação passada aos instrumentalistas Identificação de rápida problemas 12

13 Critical Coupling Likelihood Conjunto de Dados Dois coleções de transientes com respectivas características (gpstime, amplitude, snr, frequency band, duration, etc) Y = y1,y2,...,yn X = x1,x2,...,xn 13

14 Critical Coupling Likelihood Visão Geral Teste de Verossemelhança H1: coincidência temporal real H0: coincidência tempral acidental Construção dos modelos Foreground Background Região Critica CCL > 1 define como X (canal aux. ) é mapeado em Y (DARM_ERR) Pares de transientes dentro desta região tem alta probabilidade de estarem relacionados (acoplados) 14

15 Critical Coupling Likelihood Modelos P Y X, f P X, b CCL=2log P Y X, b P X, f 15

16 Critical Coupling Likelihood Desempenho Desempenho Deadtime: 13.9% Limite superior SNR>8 : ~ 85% Livingston CCL > 1 SNR (>) % % % % % % % 16

17 Critical Coupling Likelihood Desempenho vs. Cat 4 17

18 Critical Coupling Likelihood ROC 18

19 Critical Coupling Likelihood Multidimensional 19

20 Sumarizando Os detectores LIGO encontram-se em fase comissionário, realizando as atualizações e instalações de equipamentos para o Advanced LIGO CCL mostrou-se uma excelente ferramenta para a análise da qualidade de dados. Estamos usando-o nas corridas de engenharia para caracterização dos novos subsistemas que estão sendo instalados Paralelamente colaboramos com a busca por sinais gravitacionais nos dados já limpos, sintonizando algoritmos de busca e estimativa de parâmetros de de sinais candidatos; e quantificando resultados obtidos A participação em uma grande colaboração internacional, cujos os resultados podem trazer grandes impactos científicos Know-how na análise de dados e caracterização de instrumentos muito sensíveis 20

21 Publicações durante o período da bolsa AASI, J., et al. COSTA, C. A.; Search for gravitational waves from binary black hole inspiral, merger, and ringdown in LIGO-Virgo data from Physical Review. D. Particles, Fields, Gravitation, and Cosmology), v. 87, p , Aasi, J ; et al ; Costa, C A. Einstein@Home all-sky search for periodic gravitational waves in LIGO S5 data. Physical Review. D. Particles, Fields, Gravitation, and Cosmology (Online), v. 87, p , ADRIÁN-MARTÍNEZ, et al. COSTA, C. A.; A first search for coincident gravitational waves and high energy neutrinos using LIGO, Virgo and ANTARES data from Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, v. 2013, p , AASI, J., et al. COSTA, C. A. ; Enhanced sensitivity of the LIGO gravitational wave detector by using squeezed states of light. Nature Photonics (Print), v. 7, p , AASI, J., et al. COSTA, C. A. ; Parameter estimation for compact binary coalescence signals with the first generation gravitational-wave detector network. Physical Review. D, Particles, Fields, Gravitation, and Cosmology, v. 88, p , Abadie, J. ; et al ; COSTA, C. A.. Implementation and testing of the first prompt search for gravitational wave transients with electromagnetic counterparts. Astronomy & Astrophysics, p. A124, Aasi, J ; et al ; COSTA, C. A.. The characterization of Virgo data and its impact on gravitational-wave searches. Classical and Quantum Gravity (Print), v. 29, p , Costa, Cesar A ; Torres, Cristina V. The critical coupling likelihood method: a new approach for seamless integration of environmental and operating conditions of gravitational wave detectors into gravitational wave searches. Classical and Quantum Gravity, v. 29, p , Aguiar, O D et al. COSTA, C. A.; Status Report of the Schenberg Gravitational Wave Antenna. Journal of Physics. Conference Series, v. 363, p ,

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