[논문 리뷰] Characterization of the seismic field at Virgo and improved estimates of Newtonian-noise suppression by recesses

A. Singha, J. Harms외 11명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 10.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 39인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 49개의 지진계로 구성된 어레이를 사용하여 바이오르고 중력파 탐지기의 노스엔드 빌딩에서 지진파의 스펙트럼 분석을 수행한다. 10–20 Hz 대역에서 최소 100 m/s의 레일리파 위상속도를 측정함으로써, 저자들은 테스트 질량 아래에 위치한 함몰된 기초 구조가 뉴턴 루이즈를 10배 감소시켜 향후 탐지기의 저주파수 감도 추정치를 크게 향상시킨다는 것을 입증한다.

ABSTRACT

Fluctuations of gravitational forces cause so-called Newtonian noise (NN) in gravitational-wave (GW) detectors which is expected to limit their low-frequency sensitivity in upcoming observing runs. Seismic NN is produced by seismic waves passing near a detector's suspended test masses. It is predicted to be the strongest contribution to NN. Modeling this contribution accurately is a major challenge. Arrays of seismometers were deployed at the Virgo site to characterize the seismic field near the four test masses. In this paper, we present results of a spectral analysis of the array data from one of Virgo's end buildings to identify dominant modes of the seismic field. Some of the modes can be associated with known seismic sources. Analyzing the modes over a range of frequencies, we provide a dispersion curve of Rayleigh waves. We find that the Rayleigh speed in the NN frequency band 10 Hz - 20 Hz is very low ($\lesssim$100\,m/s), which has important consequences for Virgo's seismic NN. Using the new speed estimate, we find that the recess formed under the suspended test masses by a basement level at the end buildings leads to a 10 fold reduction of seismic NN.

연구 동기 및 목표

• 바이오르 탐지기의 노스엔드 빌딩에서 지진 노이즈의 공간적 및 스펙트럼적 특성을 규명하기 위해.
• 주로 레일리파를 포함한 주요 지진파 모드와 그 전파 특성을 특정하기 위해.
• 10–20 Hz 주파수 대역에서 레일리파의 산란 곡선을 측정하기 위해.
• 현장 특화 지진 데이터를 사용하여 함몰된 테스트 질량 기초의 뉴턴 루이즈 감소 효과를 재평가하기 위해.
• 뉴턴 루이즈 모델링을 정교화하여 향후 중력파 탐지기의 저주파수 감도 추정치를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 두 주간의 데이터에 대해 49개 지진계(38개 실내, 11개 실외)를 사용하여 공간 교차스펙트럼 분석을 수행하였다.
• 교차스펙트럼 밀도 행렬과 푸리에 변환을 사용하여 공간 스펙트럼(kf 맵)을 계산하여, 파동벡터 성분을 식별하였다.
• kf 맵의 피크 모드에서 위상속도를 추출하여, 파동 전파 특성을 추론하였다.
• 10–20 Hz 주파수 범위에서 위상속도 추세를 분석하여 레일리파의 산란 곡선을 생성하였다.
• 측정된 레일리파 속도를 사용하여 함몰된 테스트 질량 기초의 뉴턴 루이즈 감소 효과를 재평가하였다.
• 측정된 지진파 속도(≈100 m/s)를 사용하여 이전 이론적 추정치의 노이즈 감소량을 재보정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 10 Hz에서 20 Hz 사이의 주파수에서 바이오르 노스엔드 빌딩에 존재하는 주요 지진파 모드는 무엇인가?
• RQ2 이 주파수 대역에서 바이오르 현장의 지하에서 레일리파의 위상속도는 얼마인가?
• RQ3 측정된 레일리파 속도는 함몰된 기초 구조에 의한 뉴턴 루이즈 감소에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 관측된 지진파 특성은 뉴턴 루이즈 모델링의 정확성을 어느 정도 향상시키는가?
• RQ5 이론적으로 예측한 바와 같이, 함몰된 기초 구조는 저주파수에서 뉴턴 루이즈를 10배 감소시킬 수 있는가?

주요 결과

• 바이오르의 노스엔드 빌딩에서 레일리파의 위상속도는 10–20 Hz 대역에서 ≲100 m/s로 측정되었으며, 이는 이전 모델에서 가정한 250 m/s보다 현저히 낮다.
• 어레이 데이터에서 레일리파의 산란 곡선을 성공적으로 재구성하였으며, 뚜렷한 주파수 의존성이 나타났다.
• 10 Hz에서 두 개의 주요 지진 모드가 식별되었는데, 하나는 약 100 m/s의 레일리파, 다른 하나는 약 km/s의 본파로, 둘 다 유사한 방향에서 유래하였다.
• 레일리파와 본파의 진폭은 시간에 따라 상관관계를 보이며, 공통된 지진원을 시사한다.
• 측정된 레일리파 속도를 사용하여, 함몰된 기초에서의 뉴턴 루이즈 감소를 재계산한 결과, 노이즈 전력이 10배 감소하였다.
• 테스트 질량 아래에 위치한 함몰 구조는 이전에 추정된 것보다 뉴턴 루이즈 감소 효과가 훨씬 크며, 향후 탐지기에서의 활용이 검증되었다.