Development of displacement-noise-free neutron/atom interferometer for detecting primordial gravitational waves on earth

• Project/Area Number: 19K21875
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 15:Particle-, nuclear-, astro-physics, and related fields
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 川村 静児 名古屋大学, 理学研究科, 教授 (40301725)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000); Fiscal Year 2020: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2019: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
• Keywords: 重力波 / 変位雑音フリー干渉計 / 中性子干渉計 / マッハツェンダー干渉計 / J-PARC / 原始重力波 / 変位雑音キャンセル / 原子干渉計

Outline of Research at the Start

宇宙誕生直後のインフレーション時に生成された原始重力波の検出は、重力波天文学の究極の目的の一つである。そこで、原始重力波の検出を地上で可能にする全く新しい方法として、変位雑音フリー中性子・原子干渉計を考案した。本研究ではこの手法の実現可能性を、理論・実験両面から検討する。特に、中性子干渉計については、中性子反射鏡のサイズと、減速体での中性子流束の減衰を防ぐ点で実験的・理論的な研究を行う。また、変位雑音キャンセルの限界などについても理論的な検討を行う。この研究が成功し、将来的に原始重力波の観測につながれば、宇宙誕生の謎に大きく迫ることができる。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、宇宙誕生直後のインフレーション時に生成された原始重力波を地上において検出するための全く新しい手法を開発することである。その方法としては、以前に研究代表者らが考案した変位雑音キャンセル法に、中性子干渉計を組み合わせて、低周波帯において感度を著しく改善することが可能であるかどうかを理論的・実験的に見極める事である。
2022年度は、理論面では、まず、単一のマッハツェンダー干渉計に、異なる速度をもつ４群の中性子を片側から入射する方式について、干渉計の重力波に対する周波数応答やショットノイズによって制限される感度についての詳細な検討を行った。次に、マッハツェンダー干渉計の出口のビームスプリッターを鏡で置き換えたサニヤック型干渉計に、異なる速度をもつ４群の中性子を入射する方式についての検討を行った。その結果、ショットノイズによって制限される感度は、予想通りほぼ２倍に改善された。
実験面では、変位雑音フリー中性子干渉計のJ-PARCでの原理実証実験のために、重力波信号や鏡の変位信号を模擬するための中性子の位相のアクチュエーターのプロトタイプの詳細設計を行い、そのプロトタイプを製作した。アクチュエーターは、ジグザグタイプのアルミ板の角度をピエゾ素子で上限300 Hzの周波数で振動させる装置であり、６つのユニットから構成される。今年度は、プロトタイプとして１つのユニットを製作し、ピエゾ素子自体の効率や、そのピエゾ素子によって振動するジグザグのアルミ板の振動特性などを測定した。結果として、振動の振幅や周波数特性が原理検証実験のための設計に沿ったものであることを確認した。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

理論面では、まず、単一のマッハツェンダー干渉計に、異なる速度をもつ４群の中性子を片側から入射する方式についての詳細な検討を行うことができた。また、マッハツェンダー干渉計の出口のビームスプリッターを鏡で置き換えたサニヤック型干渉計の詳細な検討も行うことができた。したがって、理論面に関しては当初の計画以上に進展しているといえる。
実験面では、まず、J-PARCでの原理実証実験のための、アクチュエーターの詳細設計を行うことができた。また、６つのユニットから構成されるアクチュエーターの１つのユニットを製作し、その特性を測定し、原理検証実験のための設計に沿ったものであることを確認できた。しかし、６つ全てのユニットを製作し、その特性を確認し、アクチュエーターを完成させ、実際にJ-PARCにおいて原理検証実験を行うことはできなかった。したがって実験面に関しては当初の計画より遅れているといえる。
以上の状況により、全体としては当初の予定よりやや遅れていると判断する。

Strategy for Future Research Activity

理論面では、マッハツェンダー干渉計の出口のビームスプリッターを鏡で置き換えたサニヤック型干渉計の詳細な検討の結果を論文として投稿する。そして、レビューアーのコメントに適切に対応し、最終的にアクセプトされることを目指す。
実験面では、まず、６つのユニットから構成されるアクチュエーターの残りの５ユニットを製作し、その特性を測定し、原理検証実験のための要求を満たすことを確認する。そして６つのユニットを統合しアクチュエーターを完成させる。次に、そのアクチュエーターを用いて実際にJ-PARCにおいて原理検証実験を行う。そして、データ解析を行い、変位雑音フリー中性子干渉計の原理が正しいことを確認する。また、その結果を参考にして、変位雑音フリー中性子干渉計の実現に向けての問題点を洗い出す。最終的に、それらの結果をまとめて論文に投稿する。そして、レビューアーのコメントに適切に対応し、最終的にアクセプトされることを目指す。

Research Products

• [Journal Article] Displacement-noise-free neutron interferometer for gravitational wave detection using a single Mach-Zehnder configuration (2022)
  • Author(s): Shoki Iwaguchi, Atsushi Nishizawa, Yanbei Chen, Yuki Kawasaki, Masaaki Kitaguchi, Taigen Morimoto, Tomohiro Ishikawa, Bin Wu, Izumi Watanabe, Ryuma Shimizu, Hirohiko Shimizu, Yuta Michimura, Seiji Kawamura
  • Journal Title: Phys. Lett. A Volume: 441 Pages: 128150-128150
  • DOI: 10.1016/j.physleta.2022.128150
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Neutron displacement noise-free interferometer for gravitational-wave detection (2022)
  • Author(s): Atsushi Nishizawa, Shoki Iwaguchi, Yanbei Chen, Taigen Morimoto, Tomohiro Ishikawa, Bin Wu, Izumi Watanabe, Yuki Kawasaki, Ryuma Shimizu, Hirohiko Shimizu, Masaaki Kitaguchi, Yuta Michimura, and Seiji Kawamura
  • Journal Title: Phys. Rev. D Volume: 105 Issue: 12 Pages: 124017-124017
  • DOI: 10.1103/physrevd.105.124017
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Displacement-noise-free interferometeric gravitational-wave detector using unidirectional neutrons with four speeds (2022)
  • Author(s): Shoki Iwaguchi, Atsushi Nishizawa, Yanbei Chen, Yuki Kawasaki, Tomohiro Ishikawa, Masaaki Kitaguchi, Yutaka Yamagata, Bin Wu, Ryuma Shimizu, Kurumi Umemura, Kenji Tsuji, Hirohiko Shimizu, Yuta Michimura, Seiji Kawamura
  • Journal Title: Phys. Lett. A Volume: 458 Pages: 128581-128581
  • DOI: 10.1016/j.physleta.2022.128581
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 重力波検出のための変位雑音フリー中性子干渉計の開発(8) (2023)
  • Author(s): 岩口翔輝, 川﨑祐輝, 石川智浩, 西澤篤志, 山形豊, 北口雅暁, 小林和宏, 大西崇文, Yanbei Chen, Wu Bin, 清水龍真, 梅村来未, 辻健志, 清水裕彦, 道村唯太, 川村静児
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] Displacement-noise-free interferometer for gravitational wave detection at low frequencies (2022)
  • Author(s): Shoki Iwaguchi, Atsushi Nishizawa, Yanbei Chen, Yuki Kawasaki, Masaaki Kitaguchi, Taigen Morimoto, Tomohiro Ishikawa, Bin Wu, Izumi Watanabe, Ryuma Shimizu, Yuta Michimura, Yutaka Yamagata, Seiji Kawamura
  • Organizer: Gravitational Wave Advanced Detector Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 重力波検出のための変位雑音フリー中性子干渉計の開発 (6) (2022)
  • Author(s): 川﨑祐輝, 岩口翔輝, 石川智浩, 西澤篤志, Yanbei Chen, 北口雅暁, 山形豊, Wu Bin, 清水龍真, 梅村来未, 辻健志, 清水裕彦, 道村唯太, 川村静児
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] 重力波検出のための変位雑音フリー中性子干渉計の開発 (7) (2022)
  • Author(s): 岩口翔輝, 川﨑祐輝, 石川智浩, 北口雅暁, 山形豊, 西澤篤志, Yanbei Chen, Wu Bin, 清水龍真, 梅村来未, 辻健志, 清水裕彦, 道村唯太, 川村静児
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] 重力波検出のための変位雑音フリー中性子干渉計の開発(5) (2022)
  • Author(s): 岩口翔輝, 西澤篤志, 川﨑祐輝, Yanbei Chen, 北口雅暁, 森本泰玄, 石川智浩, Wu Bin, 渡辺泉実, 清水龍真, 清水裕彦, 道村唯太, 川村静児
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] 重力波検出のための変位雑音フリー中性子干渉計の開発(4) (2021)
  • Author(s): 岩口翔輝, 森本泰玄, 石川智浩, Wu Bin, 渡辺泉実, 川﨑祐輝, 清水龍真, 西澤篤志, 清水裕彦, 北口雅暁, 道村唯太, 川村静児
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] 重力波検出のための変位雑音フリー中性子干渉計の開発(2) (2020)
  • Author(s): 内藤丈雄, 森本泰玄, 西澤篤志, 清水裕彦, 北口雅暁, 山田梨加, 渡辺泉実, 黒柳幸子, 石川智浩, 岩口翔輝, 川村静児
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] 重力波検出のための変位雑音フリー中性子干渉計の開発(3) (2020)
  • Author(s): 森本泰玄, 内藤丈雄, 西澤篤志, 清水裕彦, 北口雅暁, 山田梨加, 渡辺泉実, 黒柳幸子, 石川智浩, 岩口翔輝, 川村静児
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] 重力波検出のための変位雑音フリー中性子干渉計の開発（1） (2020)
  • Author(s): 内藤丈雄，西澤篤志，清水裕彦，北口雅暁，黒柳幸子，山田梨加，森本泰玄，渡辺泉実，川村静児
  • Organizer: 日本物理学会