Searches for primordial black holes using gravitational waves

Abstract

Aquesta tesi investiga tres aspectes clau dels experiments d'ones gravitacionals: la mitigació del soroll de llum dispersada, l'aplicació de tècniques d'aprenentatge automàtic a l'anàlisi de dades i la cerca dedicada de forats negres primordials. En primer lloc, s'aborda el soroll de llum dispersada detallant l'ús de deflectors de llum instrumentats per a Virgo durant O5 i proposant un disseny inicial de deflectors per als tubs principals del Telescopi Einstein. A més, s'introdueix un estudi detallat sobre el soroll de reflexió assistit per la difracció dels deflectors de llum generat pel tub. En segon lloc, s'introdueix un nou mètode basat en xarxes neuronals convolucionals tant per a la detecció com per a l'estimació de paràmetres dels senyals d'ones gravitacionals detectats, reduint significativament el cost computacional. El desavantatge és una reducció de la sensibilitat i una incertesa més gran en els paràmetres estimats. Finalment, s'analitzen les dades de la col·laboració LIGO-Virgo-KAGRA per posar límits a l'abundància de forats negres primordials. Mitjançant la cerca de sistemes binaris altament asimètrics en massa amb un component subsolar, la d'ones gravitacionals contínues procedents de l'inspiral d'objectes compactes molt lleugers i a través d'estudis poblacionals de les col·lisions entre forats negres detectades, la tesi estableix nous límits sobre la quantitat de forats negres primordials i la seva potencial contribució a la matèria fosca de l'Univers.

Esta tesis investiga tres aspectos clave de los experimentos de ondas gravitacionales: la mitigación del ruido de luz dispersada, la aplicación de técnicas de aprendizaje automático al análisis de datos y la búsqueda dedicada de agujeros negros primordiales. En primer lugar, se aborda el ruido de luz dispersada detallando el uso de deflectores de luz instrumentados en Virgo durante O5 y proponiendo un diseño inicial de deflectores para los brazos principales del Telescopio Einstein. Además, se introduce un estudio detallado sobre el ruido de reflexión asistido por la difracción de los deflectores de luz generado por el tubo. En segundo lugar, se introduce un nuevo enfoque que utiliza redes neuronales convolucionales tanto para la detección como para la estimación de parámetros de las señales de ondas gravitacionales, reduciendo significativamente el coste computacional. La desventaja es una reducción de la sensibilidad y una mayor incertidumbre en los parámetros estimados. Finalmente, se analizan los datos de la colaboración LIGO-Virgo-KAGRA para restringir la abundancia de agujeros negros primordiales. Mediante la búsqueda de sistemas binarios altamente asimétricos en masa con un componente subsolar, ondas gravitacionales continuas provenientes del inspiral de objetos compactos muy ligeros y estudios poblacionales de agujeros negros binarios, la tesis establece nuevos límites sobre la cantidad de agujeros negros primordiales y su potencial contribución a la materia oscura del Universo.

This thesis investigates three key aspects of gravitational wave experiments: the mitigation of scattered light noise, the application of machine learning techniques to data analysis, and dedicated searches for primordial black holes. First, it addresses scattered light noise by detailing the use of instrumented baffles for Virgo during O5 and proposing an initial layout for baffles in the main arms of the Einstein Telescope. Additionally, it introduces a detailed discussion of the baffle diffracted aided reflection noise from the beampipe. Second, it introduces a novel approach employing convolutional neural networks for both the detection and parameter estimation of gravitational wave signals, significantly reducing the computing cost. The downside of this approach is a lower sensitivity and a higher parameter uncertainty. Finally, it analyzes the data from the LIGO-Virgo-KAGRA collaboration to constrain the abundance of PBHs. By searching for highly mass-asymmetric binaries with a subsolar component, continuous gravitational waves from the inspiral of very light compact objects, and through population studies of binary black holes, the thesis establishes new limits on the PBH abundance and their potential contribution to the dark matter content of the Universe.