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TOBA: Torsion-Bar Antenna
京都大学 基礎物理学研究所 談話会 (2013年3月8日, 京都大学)
Masaki Ando (National Astronomical Observatory)
Small-scale TOBA at Tokyo Small-scale TOBA at Kyoto
K.Ishidoshiro, A.Shoda, K.Okada, W.Kokuyama, K.Yagi, K.Yamamoto, H.Takahashi, N.Kanda, Y.Aso, N.Matsumoto, K.Tsubono, A.Takamori, R.Gondo, R.Takahashi, and the Mango team
SWIM on SDS-1 satellite
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Motivation
京都大学 基礎物理学研究所 談話会 (2013年3月8日, 京都大学)
Low-freq. GW observation New sciences
・Large amplitude and/or stationary GWs radiated
by sources with large masses and long time-scales.
Novel approach : TOBA (Torsion-Bar Antenna)
- Low-freq. GW obs. even with ground-based config.
- Unexplored band observation with space detector.
・Difficult with ground-based detectors because of
free-mass limitation and seismic disturbances.
・Space-borne detector requires large resources.
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Introduction - Principle of TOBA
- Fundamental sensitivity
- Sciences at 0.1Hz and mHz bands
Prototype Tests - Small-scale prototype
- GWB observation by two TOBAs
- SWIMmn : space demonstration
- Medium-scale TOBA
Summary
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TOBA Introduction
Reference: MA+, PRL (2010)
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TOBA
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TOBA : Torsion-Bar Antenna
MA+, Phys. Rev. Lett. 105, 161101 (2010)
Monitors tidal-force fluctuation caused by GWs.
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Detection Principle
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x
y
z
Changes in tidal forces using free test masses
Conventional IFO antenna
Detect differential length change
GWs
x
y
z
Torsion-bar antenna
GWs
Detect differential rotation
Strain Angle
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Interferometer and TOBA
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Conventional IFO TOBA
Suspended as pendulum (Obs. band >>1Hz)
Torsion pendulum (Obs. band >> 1mHz)
Long baseline
High sensitivity
Shorter length
Simple config.
Common-mode rejection
Obs. band 10Hz-1kHz Obs. band 10mHz-1Hz
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Fundamental Noise Level
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Laser Freq. noise < 10Hz/Hz1/2, Freq. Noise CMRR>100 Intensity noise < 10-7/Hz1/2, Bar residual RMS motion < 10-12 m
Bar length : 10m, Mass : 7600kg Laser source : 1064nm, 10W Cavity length : 1cm, Finesse : 100 Bar Q-value : 105 , Temp: 4K Support Loss : 10-10
Practical parameters (at 0.1 Hz)
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TOBA Sensitivity
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DECIGO/BBO band:
Between ground-based detectors and LISA bands
Characteristic amplitude : (Dimensionless strain)
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Observable Range
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GWs from binary BH mergers
Obs. Range ~10Gpc ( )
Calculation by K.Yagi : BH merger hybrid waveform, spin 0.5/0.5
ET
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Background GWs
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R.Saito and J.Yokoyama, PRL 102, 161101 (2009)
Beat BBN upper limit
Observable GW
energy density ratio
GW by primordial tensor perturbation
(1-yr obs. by 2 TOBAs) TOBA
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Micro-Hz TOBA
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mHz TOBA
Bar length : 10m, Mass : 7600kg Laser source : 1064nm, 1mW Cavity length : 1cm, Finesse : 1 Bar Q-value : 105 , Temp: 4K Support Loss : 10-10
Tune center freq. to mHz (Laser power 1mW, Rotation TOBA in space)
Bridge the Pulsar-timing and LISA
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GWB Observation
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P.A.Rosado, PRD (2011)
mHz TOBA
(1-yr obs.)
Log( Frequency [Hz] )
Lo
g(
Wg
w )
GWB by MBH binaries Galaxy (SMBH) formation scenario
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Prototype Tests
Reference:
- K.Ishidoshiro+ PRL (2011)
- A. Shoda, presentation at GWPAW2011
- W.Kokuyama, Ph.D thesis (2012)
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First TOBA Prototype
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・Small-scale TOBA prototype (Univ. Tokyo, 2006 - )
- 20cm test-mass bar at room temperature
- Torsion pendulum by super-conductive levitation
- Sensor : Michelson interferometer with Nd:YAG laser
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Sensitivity of Small TOBA
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Sensitivity
Limited by magnetic disturbances and seismic coupling
K.Ishidoshiro et al., PRL 106, 161101 (2011)
at 0.2Hz
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Comparison with Previous Results
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New upper limit at unexplored frequency band of 0.2Hz
K.Ishidoshiro+ PRL (2011)
(C.L. 95%)
10-m TOBA
estimation
(1-yr obs.)
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Second Small-scale TOBA
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・Small-scale TOBA prototype (Kyoto Univ., 2009 - )
- Almost same design as the first one
- Small differences : Cooling system, Test mass shape
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Tokyo Kyoto
370km
Observation with Two Detectors
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On-line calibration (for monitoring the gain): 10 Hz signal Monitored GPS signal: 1pps signal Temperature: ~70K
On-line calibration (for monitoring the gain): 8.7 Hz signal Monitored GPS signal: 1pps and serial signal Temperature: ~40K
Kyoto
Tokyo
DATE: 0:00 – 5:00, July 20, 2010 Sampling frequency: 1kHz Direction of Test-mass bar: north-south
Original fig. by A.Shoda (GWPAW 2011)
Observation with two detectors
- Tokyo and Kyoto, 370km separation
- Comparable sensitivity
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Sensitivities
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Tokyo
Kyoto
182
100 101W hgw
10-2 10-1 1 10
frequency [Hz]
10-4
10-5
10-6
10-7
10-8
10-9
10-10
10-11
stra
in [
Hz-
1/2]
Fig. By A.Shoda
One-night observation runs x three times
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Upper Limit by Two TOBAs
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4 times better
Expand the region
Fig. By A.Shoda
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Test mass
Photo sensor
Coil
TAM: Torsion Antenna Module with free-falling test mass (Size : 80mm cube, Weight : ~500g)
Reflective-type optical displacement sensor Separation to mass ~1mm Sensitivity ~ 10-9 m/Hz1/2
6 PSs to monitor mass motion
~47g Aluminum, Surface polished Small magnets for position control
Spin Axis (46.5mHz)
80mm
Space TOBA : SWIMmn
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Small Module SWIMmn on SDS-1 Photo: JAXA Launched Jan. 2009, Terminated Sept. 2010
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Sensitivity
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Though limited by non-fundamental noises,
best as a space-borne GW detector.
By W.Kokuyama
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Observation by SWIM
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Continuous data taking
Orbital Period
10mHz LPF
Jun 17, 2010 ~120 min.
July 15, 2010 ~240 min.
Tokyo
Kyoto
Orbital period
~100min.
Observation band
By W.Kokuyama
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Upper Limit on GWB
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Upper Limit at two frequencies (two polarizations)
(C.L. 95%, f0 18mHz, BW 4mHz)
W.Kokuyama, Ph.D thesis (2012)
‘Forward’ mode
‘Reverse’ mode
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Next Prototype plan
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Medium-scale TOBA
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- Scientific outcomes. - Common techniques with KAGRA, ET, … - Realistic both in technology and the budget.
Medium-scale TOBA for Newtonian noise observation.
・One more prototype step before the 10-m TOBA.
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Medium-scale TOBA
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One-meter scale TOBA at cryogenic temp. (2012-)
- Intermediate step
for 10-m scale TOBA
- Low-freq. GW observation
h ~ 10-15 at 0.1Hz
- Newtonian noise sensor
Synergy with interferometers
- Low-freq. observation
- Cryogenic technologies
Active isolator
Heat anchor
Sensor bench
Test mass
Cryostat
Platform
Preliminary design by A.Shoda
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Sensitivity of Mid.-scale TOBA
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Newtonian noise
(preliminary)
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TOBA Sensitivity
京都大学 基礎物理学研究所 談話会 (2013年3月8日, 京都大学)
DECIGO/BBO band:
Between ground-based detectors and LISA bands
Characteristic amplitude : (Dimensionless strain)
M-TOBA
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京都大学 基礎物理学研究所 談話会 (2013年3月8日, 京都大学)
Summary
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Summary (1/2)
京都大学 基礎物理学研究所 談話会 (2013年3月8日, 京都大学)
・Novel type GW detector : TOBA
Low-freq. observation (~10-8 – 1 Hz) .
- Observable Range >10Gpc for BH inspirals.
- Observation of GWB by MBH at 1mHz.
・First prototypes
- Small-scale TOBAs at Tokyo and Kyoto
First upper limits on GWB at 0.1-0.2Hz band.
- SWIM as a space-borne rotating TOBA
Upper limit on GWB at 18mHz.
![Page 33: TOBA: Torsion-Bar Antennat-munu.phys.s.u-tokyo.ac.jp/ando/130308Kyoto/130308_toba.pdfTOBA: Torsion-Bar Antenna 京都大学 基礎物理学研究所 談話会 (2013年3月8日, 京都大学)](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022041012/5ebe2bed240d1c18ef63f0f2/html5/thumbnails/33.jpg)
Summary (2/2)
京都大学 基礎物理学研究所 談話会 (2013年3月8日, 京都大学)
・Next prototype plan
- Medium-scale cryogenic TOBA with length ~1m.
- Low-freq. GW detector and also a NN sensor.
- Common techniques with KAGRA, ET, …
4-year (small) fund has been approved in 2012
Under design and development
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京都大学 基礎物理学研究所 談話会 (2013年3月8日, 京都大学)
End