重力波検出器ＫＡＧＲＡおよび次世代重力波検出器のための量子雑音低減法の開発

• Project/Area Number: 17J01176
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Particle/Nuclear/Cosmic ray/Astro physics
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 長野 晃士 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2017-04-26 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥3,100,000 (Direct Cost: ¥3,100,000); Fiscal Year 2019: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2018: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2017: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
• Keywords: 重力波 / 重力波検出器 / レーザー干渉計 / 量子光学

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、重力波検出器KAGRAや次世代重力波検出器の原理的な雑音となると考えられている、レーザー光の量子雑音を低減する手法を開発することである。そのため、本年度は、KAGRAの観測運転に向けた干渉計コミッショニングや、日本の次世代重力波検出器である宇宙重力波検出器DECIGOの干渉計を制御を含んだ形でシミュレートする研究などを行った。以下、これらの研究実施状況について説明する。
これまで、KAGRAは装置のインストールを行うフェイズであったが、KAGRAの性能を設計通り発揮させるためには、コミッショニングが必要である。2019年度は、実際にKAGRAのコミッショニングを他のKAGRAコラボレーターと協力して行った。コミッショニングの結果、KAGRAは量子雑音の一種であるショット雑音にせまる感度を達成した（ただし、現在のショット雑音は最終的なものより3桁程度悪い）。そして、2019年2月から、初めての重力波観測運転を開始した。KAGRAは、今後さらに感度向上を進める計画であるが、重力波物理学・天文学に寄与するための技術を開発する準備が整えられたと言える。
また、KAGRAの後の日本の重力波検出器計画としてDECIGO計画が進められている。DECIGOの詳細な干渉計制御方式はこれまでほとんど検討されていなかった。そこで、量子雑音に制限されたDECIGOの目標感度を達成し、さらにその低減技術の可能性を探るために、制御方式を含んだ形での検討を初めて行った。結果として、DECIGOのような宇宙重力波検出器が1日以上安定な動作を続けられること、そして、制御による雑音を考慮しても、0.1 Hz付近では量子雑音に制限された感度を達成できることをシミュレーション上で初めて確認した。これは、量子雑音低減技術が将来の宇宙重力波検出器にも寄与することを示す重要な成果であった。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] An arm length stabilization system for KAGRA and future gravitational-wave detectors (2020)
  • Author(s): Akutsu T, et al. (KAGRA Collaboration)
  • Journal Title: Classical and Quantum Gravity Volume: 37 Issue: 3 Pages: 035004-035004
  • DOI: 10.1088/1361-6382/ab5c95
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Axion Dark Matter Search with Interferometric Gravitational Wave Detectors (2019)
  • Author(s): Nagano Koji、Fujita Tomohiro、Michimura Yuta、Obata Ippei
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 123 Issue: 11 Pages: 111301-111301
  • DOI: 10.1103/physrevlett.123.111301
  • NAID: 120006724631
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] First cryogenic test operation of underground km-scale gravitational-wave observatory KAGRA (2019)
  • Author(s): Akutsu T, et al. (KAGRA Collaboration)
  • Journal Title: Classical and Quantum Gravity Volume: 36 Issue: 16 Pages: 165008-165008
  • DOI: 10.1088/1361-6382/ab28a9
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Prospects for gravitational-wave polarization tests from compact binary mergers with future ground-based detectors (2019)
  • Author(s): Takeda Hiroki、Nishizawa Atsushi、Nagano Koji、Michimura Yuta、Komori Kentaro、Ando Masaki、Hayama Kazuhiro
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 100 Issue: 4 Pages: 042001-042013
  • DOI: 10.1103/physrevd.100.042001
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] KAGRA: 2.5 generation interferometric gravitational wave detector (2019)
  • Author(s): KAGRA collaboration
  • Journal Title: Nature Astronomy Volume: 3 Issue: 1 Pages: 35-40
  • DOI: 10.1038/s41550-018-0658-y
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] External quantum efficiency enhancement by photon recycling with backscatter evasion (2018)
  • Author(s): Nagano Koji、Perreca Antonio、Arai Koji、Adhikari Rana X
  • Journal Title: Applied Optics Volume: 57 Issue: 13 Pages: 3372-3372
  • DOI: 10.1364/ao.57.003372
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Particle swarm optimization of the sensitivity of a cryogenic gravitational wave detector (2018)
  • Author(s): Yuta Michimura, Kentaro Komori, Atsushi Nishizawa, Hiroki Takeda, Koji Nagano, Yutaro Enomoto, Kazuhiro Hayama, Kentaro Somiya, Masaki Ando
  • Journal Title: Phys. Rev. D Volume: 97 Issue: 12 Pages: 122003-122003
  • DOI: 10.1103/physrevd.97.122003
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Polarization test of gravitational waves from compact binary coalescences (2018)
  • Author(s): Hiroki Takeda, Atsushi Nishizawa, Yuta Michimura, Koji Nagano, Kentaro Komori, Masaki Ando, Kazuhiro Hayama
  • Journal Title: Phys. Rev. D Volume: 98 Issue: 2 Pages: 22008-22008
  • DOI: 10.1103/physrevd.98.022008
  • NAID: 130007735273
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mirror actuation design for the interferometer control of the KAGRA gravitational wave telescope (2017)
  • Author(s): Michimura Yuta , Shimoda Tomofumi , Miyamoto Takahiro , Shoda Ayaka , Okutomi Koki , Fujii Yoshinori , Tanaka Hiroki , Barton Mark A , Takahashi Ryutaro , Aso Yoichi , et al.
  • Journal Title: Classical and Quantum Gravity Volume: 34 Issue: 22 Pages: 225001-225001
  • DOI: 10.1088/1361-6382/aa90e3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Construction of KAGRA: an underground gravitational-wave observatory (2017)
  • Author(s): KAGRA Collaboration、ほか
  • Journal Title: Progress of Theoretical and Experimental Physics Volume: 2018 Issue: 1 Pages: 1-23
  • DOI: 10.1093/ptep/ptx180
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] スペース重力波アンテナ DECIGO計画(117)：双方向Fabry-Perot干渉計の実証 (2020)
  • Author(s): 長野晃士、武田紘樹、下田智文、正田亜八香、道村唯太、安東正樹
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会
• [Presentation] スペース重力波アンテナ DECIGO計画(109): 双方向Fabry-Perot干渉計の開発 (2019)
  • Author(s): 長野晃士、武田紘樹、下田智文、道村唯太、安東正樹
  • Organizer: 日本物理学会2019年秋季大会
• [Presentation] 双方向Fabry-Perot干渉計の開発 (2019)
  • Author(s): 長野晃士、武田紘樹、下田智文、道村唯太、安東正樹
  • Organizer: 第18回DECIGOワークショップ
• [Presentation] スペース重力波アンテナ DECIGO計画(105): 干渉計統合試験用プラットフォームの開発 (2019)
  • Author(s): 長野晃士、下田智文、道村唯太、安東正樹
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] スペース重力波アンテナ DECIGO計画(99): 統合試験用プラットフォームの開発 (2018)
  • Author(s): 長野晃士、下田智文、道村唯太、安東正樹
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] 干渉計統合試験用プラットフォームの開発 (2018)
  • Author(s): 長野晃士、下田智文、道村唯太、安東正樹
  • Organizer: 第17回DECIGOワークショップ
• [Presentation] Results of the PEM injection during bKAGRA phase 1 (2018)
  • Author(s): Koji Nagano on behalf of KAGRA Detchar subgroup
  • Organizer: The 19th KAGRA F2F meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Environmental monitors and injection test in bKAGRA phase1 (2018)
  • Author(s): Koji Nagano on behalf of the KAGRA Collaboration
  • Organizer: The 4th KAGRA International Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Constructing Test Bench for Integration Tests of Components Developed for DECIGO and B-DECIGO (2018)
  • Author(s): Koji Nagano, Tomofumi Shimoda, Yuta Michimura, and Masaki Ando
  • Organizer: The 15th Marcel Grossmann Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 光輻射圧による鏡の光学浮上技術の開発（６） (2018)
  • Author(s): 長野晃士、和田祥太郎、川﨑拓也、道村唯太、牛場崇文、松本伸之、安東正樹
  • Organizer: 日本物理学会第73回年次大会
• [Presentation] 光輻射圧による鏡の光学浮上技術の開発（３） (2017)
  • Author(s): 長野晃士、和田祥太郎、川﨑拓也、道村唯太、牛場崇文、松本伸之、安東正樹
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] ナビゲータートーク：重力波 ～重力波の検出器と物理～ (2017)
  • Author(s): 長野晃士
  • Organizer: 宇宙素粒子若手の会 第2回秋の研究会
• [Presentation] 学浮上技術を用いた超精密位置測定装置の開発 (2017)
  • Author(s): 長野晃士、和田祥太郎、川﨑拓也、道村唯太、 牛場崇文、松本伸之、安東正樹
  • Organizer: 宇宙素粒子若手の会 第2回秋の研究会