光格子時計の宇宙応用による標準理論を超えた物理学の開拓

Research Project

Project/Area Number	22H00148
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Medium-sized Section 15:Particle-, nuclear-, astro-physics, and related fields
Research Institution	Japan Aerospace EXploration Agency
Principal Investigator	国分紀秀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, 准教授 (50334248)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2026-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help	¥43,940,000 (Direct Cost: ¥33,800,000、Indirect Cost: ¥10,140,000) Fiscal Year 2024: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000) Fiscal Year 2023: ¥9,620,000 (Direct Cost: ¥7,400,000、Indirect Cost: ¥2,220,000) Fiscal Year 2022: ¥28,860,000 (Direct Cost: ¥22,200,000、Indirect Cost: ¥6,660,000)
Keywords	光格子時計 / 気球実験 / 国際宇宙ステーション / 人工衛星 / 一般相対性理論 / 高精度周波数比較 / 衛星測位 / 大気球
Outline of Research at the Start	本研究の最終的な目標は、標準理論を超えた物理学の開拓を目指して、一般相対論の精密検証・暗黒物質探査などに関する基礎物理学実験を衛星軌道上の微小重力環境下で実施することである。そのため、従来の原子時計より3桁も高い精度を実現する光格子時計を用いて、最新の地上実験用モデルをベースに宇宙機搭載用に必要な改良を行い、国際宇宙ステーション(ISS)への搭載を目指した実証機を開発する。光格子時計の宇宙応用は、巨大科学とは異なるアプローチで基礎物理学を切り拓くための極めて有力な手段であると同時に、学術的な分野を超えて実社会にまで影響を与えるような大きなインパクトをもたらすことが期待される。
Outline of Annual Research Achievements	本研究の最終的な目標は、標準理論を超えた物理学の開拓を目指して、従来の原子時計より3 桁も高い性能を実現する光格子時計を用いて一般相対論の精密検証・暗黒物質探査などに関する基礎物理学実験を衛星軌道上で実施することである。その最初のステップとして国際宇宙ステーション(ISS) への搭載を想定した実証機の開発を進める。本年度は、地上での社会実装に向けて開発されている最新の光格子時計の詳細を把握しつつ、それを宇宙応用するにあたって特に必要となる技術要素に絞った開発を進めた。具体的には、ISS搭載に向けた開発ステップとなる実証試験として大気球を用いた高度数10kmでの周波数比較実験を目指し、数年かけて段階的に放球機会を獲得して実証度を高めていく構想を立案した上で、その最初のステップとなる気球の高精度追尾技術に向けた高精度衛星測位の実証実験を相乗り型の大気球実験にて実施し、回収した測定データを解析することで高度25kmにおいても数cm程度の相対精度が得られることを実証した。並行して、地上と衛星間でレーザー光を自由空間伝送させつつ高精度に周波数比較を行うために必要となる技術について、実際にモード同期ファイバーレーザーを組み立てて自己参照型のファイバー光学系を構築することで、フェムト秒スケールで超高速にパルスの到来時間差を検出する部分の実証試験を先行的に実施し、自由空間伝送系を用いた実証試験のテストベッドを構築した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason ISS搭載および宇宙応用に向けた開発ステップである大気球実験による実証実験の第一段階を行い、気球高度における高精度衛星測位の成立性を実証した。
Strategy for Future Research Activity	引き続き、ISS搭載を目指した実証機の検討を進めつつ、気球実験実施に必要となる技術要素の開発を行う。具体的には高精度衛星測位結果をもとにした小型気球の追尾実験を提案して採択されたため、搭載機器および地上からレーザー光を追尾照射する装置の開発を進める。