Advanced Virgo during the LIGO-Virgo-KAGRA fourth observing run

Resumen Técnico: Advanced Virgo durante la cuarta corrida de observación de LIGO-Virgo-KAGRA

Problema y Contexto
Este artículo detalla el rendimiento, los desafíos de puesta en servicio y la configuración operativa del detector Advanced Virgo durante la cuarta corrida de observación (O4) de la red LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), que abarca desde el 10 de abril de 2024 hasta el 18 de noviembre de 2025. El principal desafío técnico abordado es la operación de una configuración óptica de doble reciclaje casi inestable. A diferencia de la configuración de reciclaje de potencia utilizada en la tercera corrida de observación (O3), Advanced Virgo fue actualizado a un interferómetro de Michelson de Fabry-Perot de doble reciclaje mediante la instalación de un espejo de Reciclaje de Señal (SR). Esta configuración, combinada con la instalación de una cavidad de filtro de 285 m para el squeezing dependiente de la frecuencia, llevó el factor $g$ de la cavidad de reciclaje a aproximadamente 0.999988. Aunque teóricamente óptimo para el ancho de banda, este estado "casi inestable" hace que el sistema sea altamente sensible al lente térmico, las distorsiones de frente de onda y los Modos de Orden Superior (HOMs), lo que genera desafíos significativos de control y ruido que limitaron la sensibilidad del detector.

Metodología y Estrategias Operativas
El artículo describe las metodologías específicas empleadas para adquirir el bloqueo (lock), mantener la estabilidad y mitigar el ruido en este complejo entorno óptico:

• Adquisición de Bloqueo (Lock Acquisition): La estrategia estándar de "finesse variable" utilizada en O3 fue abandonada debido al aumento de los grados de libertad (cinco longitudinales). En su lugar, se utilizó un Sistema de Láser Auxiliar (ALS) para desacoplar las cavidades de los brazos del interferómetro central. Al bloquear los brazos con el láser auxiliar e introducir un desfase de Movimiento Común de los Brazos (CARM), los grados de libertad centrales (PRCL, MICH, SRCL) pudieron bloquearse independientemente antes de que los brazos volvieran a la resonancia.
• Compensación Térmica: Para gestionar el lente térmico inducido por la potencia circulante en las cavidades casi inestables, se empleó un Sistema de Compensación Térmica (TCS) distribuido. Esto incluyó Calentadores de Anillo (RH), Corrección del Radio de Curvatura de Calentamiento Central (CHRoCC) y proyectores de láser de CO$_2$ actuando sobre Placas de Compensación (CPs). Una estrategia específica consistió en utilizar un actuador de "Calentamiento Central" (CH) para imitar la carga térmica del haz principal durante la adquisición de bloqueo, evitando transitorios térmicos que desestabilizarían las cavidades de reciclaje.
• Control de Alineación: Debido al acoplamiento de la alineación del espejo de SR con los HOMs, las señales de alineación estándar fueron insuficientes. El equipo utilizó técnicas de doble dither mecánico. Para el espejo de Reciclaje de Señal (SR), la alineación se controló monitoreando la respuesta del ancho de banda del detector mediante dithers mecánicos en la señal de Brazo Diferencial (DARM), desalineando intencionalmente el espejo de SR hacia un punto específico para minimizar el exceso de ruido.
• Mitigación de Ruido: Se identificó un ruido excesivo de banda ancha dominante en el rango de 50–200 Hz. Las investigaciones revelaron que este ruido se originaba por el acoplamiento de los HOMs de la portadora al modo fundamental en la salida, amplificado por la cavidad de Reciclaje de Señal (SRC) casi inestable. La principal estrategia de mitigación fue la desalineación intencional del espejo de SR (por $\sim$2 $\mu$rad), lo que redujo la ganancia de la SRC para los HOMs y el ancho de banda del detector de $\sim$430 Hz a $\sim$190 Hz. Además, la luz dispersada se mitigó mediante la instalación de nuevos diafragmas y sumideros de haz en los bancos ópticos (SDB1, SNEB, SWEB) y la sustitución del espejo del Extremo Oeste (WE) para eliminar un punto absorbedor.

Contribuciones y Actualizaciones Clave
El artículo documenta varias actualizaciones instrumentales y sus resultados específicos:

• Limpiador de Modo de Salida (OMC) de Alta Finesse: Reemplazó un sistema de dos cavidades por una única cavidad de alta finura ($\sim$1000) para reducir las pérdidas y mejorar el filtrado del lado de banda de 6 MHz.
• Reducción de Ruido Cuántico: Se puso en servicio una cavidad de filtro de 285 m. Sin embargo, debido a la necesidad de la desalineación de la SR para mitigar el exceso de ruido, se utilizó squeezing independiente de la frecuencia en lugar de squeezing dependiente de la frecuencia, ya que los beneficios de este último se veían anulados por el aumento de las pérdidas ópticas en la SRC desalineada.
• Carga Útil del Limpiador de Modo de Entrada (IMC): La carga útil del espejo final del IMC fue rediseñada para mejorar la rigidez de cabeceo (pitch) y eliminar una resonancia de caja de cambios, permitiendo la operación estable a mayores potencias de láser.
• Calibración: Se desplegó un nuevo calibrador Newtoniano (usando rotores giratorios) para proporcionar una referencia absoluta para la calibración, reduciendo la incertidumbre al 0.17% en comparación con el calibrador de fotones.
• Control de Luz Dispersada: Se realizaron mejoras significativas en el apantallamiento de los bancos ópticos y en la instalación de sumideros de haz para reducir el ruido de luz retrodispersada, particularmente desde el banco SDB1.

Resultados y Rendimiento

• Ciclo de Trabajo (Duty Cycle): Advanced Virgo logró un ciclo de trabajo del 68.9% durante O4b y O4c. Este fue inferior al $\sim$75% alcanzado en O3, debido principalmente a la complejidad del procedimiento de adquisición de bloqueo (el tiempo de bloqueo mediano aumentó a 45 minutos) y la sensibilidad de la configuración casi inestable a los glitches ambientales.
• Rango Astrofísico: El rango de la mediana angular para fusiones de Binarias de Estrellas de Neutrones (BNS) fue de 53 Mpc. Esto representa una mejora modesta del 10–15% sobre O3, pero estuvo significativamente limitado por el ruido excesivo.
• Presupuesto de Ruido: La sensibilidad del detector estuvo dominada por un ruido excesivo de banda ancha en el rango de 50–200 Hz, que escala como $f^{-0.67}$. Este ruido se rastreó hasta los HOMs que resuenan en la SRC. Si bien la desalineación intencional de la SR redujo este ruido, simultáneamente degradó la sensibilidad de alta frecuencia y dejó ineficaz la inyección de squeezing dependiente de la frecuencia.
• Rendimiento de la Red: El ciclo de trabajo de la red LVK (los tres detectores observando simultáneamente) fue del 33%, menor que en O3, debido a la sincronización de los tiempos de inactividad para maximizar el tiempo de observación conjunta.

Significancia y Perspectivas Futuras
El artículo concluye que, si bien la configuración de doble reciclaje casi inestable fue puesta en servicio y operada con éxito, su sensibilidad inherente a las deformaciones térmicas y a los HOMs enmascaró los beneficios de otras actualizaciones (como el OMC de alta finura y el sistema de squeezing). Los autores afirman que la experiencia adquirida durante la puesta en servicio de O4 ha llevado a una propuesta para una actualización mayor en el futuro: reemplazar las actuales cavidades de reciclaje casi inestables por cavidades de reciclaje estables utilizando una topología de tres espejos. Se espera que este cambio reduzca la sensibilidad al lente térmico, elimine la necesidad de la desalineación de la SR y mejore significativamente el rango de BNS a 90–130 Mpc en la próxima fase de operación del detector. El documento sirve como un registro técnico exhaustivo de los desafíos encontrados al operar cerca del límite de estabilidad de las cavidades ópticas y los compromisos necesarios para mantener la operación del detector.