超小型衛星を用いた小型宇宙レーザー干渉計による巨視的量子力学理論の高精度検証

• Project/Area Number: 20J01928
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 15020:Experimental studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
• Research Institution: Japan Aerospace EXploration Agency
• Principal Investigator: 長野 晃士 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2020-04-24 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2020: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
• Keywords: 量子力学 / レーザー干渉計 / 超小型衛星 / 精密計測 / 衛星

Outline of Research at the Start

本研究は、精密測定プラットフォームとしての小型宇宙レーザー干渉計の技術開発を行い、100 gという巨視的な質量スケールにおける量子力学を検証することを目指すものである。特に、軌道上での世界初の量子もつれの生成や、量子状態が重力によりデコヒーレンスする現象の観測などを目指す。もし、重力デコヒーレンスが観測されれば、従来の量子力学の修正という現代物理学の大変革の根拠の一つとなる。
また、超小型衛星内で極低振動環境が作れることが、本研究の干渉計による高精度測定で実証できれば、多くの基礎物理研究でも活用できる超小型衛星実験プラットフォームの可能性が拓かれることになる。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、100 gという巨視的な質量を持つ鏡の量子性を検証するために、超小型衛星をプラットフォームとしたレーザー干渉計技術を開発することである。本年度は、そのために、衛星の振動による雑音を低減するための高精度なドラッグフリー制御に用いることのできるレーザーセンサー技術の開発と、将来の計測精度の評価のための懸架型の評価システムの構築を行った。
まず、高精度ドラッグフリー制御に用いることのできるレーザーセンサーとして、QUIMETTの開発を前年度から引き続き行った。QUIMETTは、直交位相レーザー干渉計を用いた高精度な変位・姿勢センサーである。今年度は、これまでに開発した装置の変位計測の雑音評価と、姿勢計測技術の初実証を行った。雑音評価の結果としては、10 Hz帯で1 pm/rtHzという計測精度を得た。測定された計測精度は、主にデータ計測のためのADCノイズや、実験室の振動ノイズにより制限されており、今後改善可能である。姿勢計測の実証のためには、測定対象となる鏡の姿勢を駆動し、その測定ができることを確認した。姿勢計測の実証は、QUIMETTのような偏光を用いた直交位相干渉計においては初めての成果である。
次に、将来の精密計測の精度評価のための懸架型の評価システムの構築を行った。本年度に構築した評価システムは、リン青銅リボンを用いたアルミニウム定盤を1段で懸架した装置である。この懸架系を加速度計を用いて評価し、10 Hzでは1 nm/rtHz、1 kHzでは0.01 pm/rtHzの振動レベルを実現した。この結果は、衛星の振動評価に向けた測定であり、将来の評価システムの構築に向けた重要な成果である。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Demonstration of a dual-pass differential Fabry窶撤erot interferometer for future interferometric space gravitational wave antennas (2021)
  • Author(s): Koji Nagano, Hiroki Takeda, Yuta Michimura, Takashi Uchiyama, Masaki Ando
  • Journal Title: Classical and Quantum Gravity Volume: 38 Issue: 8 Pages: 85018-85018
  • DOI: 10.1088/1361-6382/abed60
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 高精度ドラッグフリー制御のための干渉計型センサーの開発（４） (2022)
  • Author(s): 長野晃士、和泉究、船木一幸
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] レーザー干渉計と超小型衛星を用いた量子力学の検証 (2022)
  • Author(s): 長野晃士、小森健太郎、和泉究、船木一幸
  • Organizer: 第22回 宇宙科学シンポジウム
• [Presentation] 高精度ドラッグフリー制御のための干渉計型センサーの開発（３） (2021)
  • Author(s): 長野晃士、和泉究、船木一幸
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [Presentation] Demonstration of a dual-pass differential Fabry-Perot interferometer for future interferometric space gravitational wave antennas: DECIGO and B-DECIGO (2021)
  • Author(s): Koji Nagano, Hiroki Takeda, Yuta Michimura, Takashi Uchiyama, Masaki Ando
  • Organizer: GWADW2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 精密編隊飛行に向けた双方向差動Fabry-Perot干渉計制御の実証 (2021)
  • Author(s): 長野晃士、武田紘樹、道村唯太、内山隆、安東正樹
  • Organizer: 第65回 宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] 高精度ドラッグフリー制御のための干渉計型センサーの開発(2) (2021)
  • Author(s): 長野晃士、和泉究、船木一幸
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] 高精度ドラッグフリー制御のための干渉計型センサーの開発(1) (2020)
  • Author(s): 長野晃士、和泉究、船木一幸
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] DECIGO/B-DECIGOの干渉計制御シミュレーション (2020)
  • Author(s): 長野晃士
  • Organizer: 第19回DECIGOワークショッ プ