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2018 Fiscal Year Annual Research Report

Calibration Standard and High-Precision Data Analysis toward the Observational Era of Gravitational Waves

Research Project

Project/Area Number 17H06133
Research InstitutionOsaka City University

Principal Investigator

神田 展行  大阪市立大学, 大学院理学研究科, 教授 (50251484)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 都丸 隆行  大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 超伝導低温工学センター, 准教授 (80391712)
Project Period (FY) 2017-05-31 – 2022-03-31
Keywords重力波観測 / 相対性理論 / データ解析 / レーザー干渉計 / 宇宙物理学
Outline of Annual Research Achievements

本研究は、レーザー干渉計型重力波検出器の較正(キャリブレーション)を光輻射圧式キャリブレータ(PCAL)のレーザー光源の強度を正確に較正することで国際標準化を行うこと、また正確な較正がもたらす重力波イベントの解析の精度評価とよりいっそうの解析高精度化を行う。このようにハードウエアとソフトウエアの両面で重力波観測時代にめざすサイエンスを研究する。
本年度の主な研究実績は、ハードウエア面では、重力波検出器KAGRAにPCALのインストールを完了させたことである。米国NISTで校正したLIGOの2次標準積分球を用い、KAGRA用に校正した標準積分球を作成した。
一方、ソフトウエア面では、KAGRAの時系列信号 h(t) の短時間での転送が、装置の設置された岐阜県飛騨市神岡鉱山のトンネル内から千葉県柏市の東大宇宙線研のサーバまで繋がり(遅延時間は約1.3秒)、さらに柏において同時に米国LIGO実験ならびに欧州Virgo実験のh(t)転送とも繋がった(遅延時間はそれぞれ10秒弱、16秒前後)ことである。
2019年度中に開始する予定のKAGRA観測運転が始まれば、これらの成果によって、国際的に比較可能な較正信号を出力し、10秒程度の低遅延で国際ネットワークに加わることができる。本研究の前半における重要な成果である。
解析関連では、KAGRA実験のデータを受け取り、解析計算を行うために、計算機クラスタのオペレーティングシステムとサーバーの各ノードの構成の改修をおこなった。また、検出器応答の較正エラーを考慮した重力波波形解析の評価と、波形注入シミュレーションが進められた。さらに、種族III星の存在有無を重力波観測より確かめる解析方法については、昨年の発表論文の内容をさらに深化させ、第3世代検出器を想定した評価も行なった(宮本:博士論文)。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

KAGRA干渉計の両端の2カ所にPCALのインストールを完了させた。このPCALシステムは米国LIGOのシステムを参考にアップグレードさせたものであり、レーザーパワーは10倍の20Wを採用し、より大きなSN比が期待出来る。真空槽内も含む全ての光学系を完成させ、現在は雑音除去と試運転を行っている。さらにレーザーパワー絶対値を較正するため、米国NISTで校正したLIGOの2次標準積分球を用い、KAGRA用に較正した標準積分球を作成し、KAGRAサイトで用いる積分球との突き合わせが出来る計測系を構築した。残念ながら、日本の産総研ではレーザーパワー絶対値の国際評価に消極的でこれを用いる事は断念したが、一方ではNISTでこの問題を取り上げることに成功し、本課題を取り上げたworkshopも開催されるに至った。
一方で、新しく重力場変調を用いたキャリブレータ(GCAL)を考案し、論文を発表した。GCALとPCALの組み合わせで、PCALの欠点であるレーザーパワー絶対値の不確定性を補うことができるというものであり、今後は複数のキャリブレータの組み合わせで絶対精度を確保していく方針である。
較正信号の転送パイプラインを整備し、米国LIGO実験とも低遅延で接続された。このことは較正の国際標準を目標とする本研究にとって、非常に大きな進捗である。
さらに較正信号h(t)を解析する研究も着々と進んでいる。大阪市大における計算機クラスタを以前からの資産に本研究に必要な性能を付け加えて使用しているが、現時点では、イベント探索解析に最終的に必要な計算能力が不足している、LIGOで用いているソフトウエアとオペレーティングシステム(OS)の互換性が不十分、という2つの問題があった。このため、本年度はOSを新しいものにアップグレードするとともに、計算ノード追加に適したように再構成をおこなった。

Strategy for Future Research Activity

2019年度はKAGRA実験が観測を開始し、いよいよ本研究の信号較正とデータ解析にとっても「本番」というべき状況を迎える。2019年4月に開始されたLIGO/Virgo O3(第3次観測)では、すでに週に1~2回程度のイベントが報告されており、本格的な重力波観測時代に入っている。この状況においては、低遅延での較正信号h(t)の生成と共有が観測国際ネットワークにとっては重要であり、また解析においても日本のグループが個性を発揮して寄与することが必要であり、まさに本研究の狙うところである。
インストールが成ったPCALの運用と、較正信号h(t)の再構築パイプラインの完成は急務であり、現在でも精力的におこなっているが、まずこれを完成させる。これらが一旦完成すると、各種の波形の系統誤差の評価が可能である。ここまでは2019年~2020年前半の課題である。
また並行してすすめる重力波イベント解析も進め、重力波波形の精度と物理パラメーターの決定精度をより詳しく検討することが重要である。とくに力を入れたいポイントとして、まず、較正の誤差および伝搬とパラメータ推定における非線形効果、GW170817やGW150914のような大きな信号で決定できる物理量の追求についてである。先般公開されたLIGOのO1,O2観測の再解析では、オフラインでのより精度の高い信号較正の結果、ブラックホールのスピンパラメーター推定などに有為にずれてしまったものがある。系統誤差の影響はまだきちんと理解されているとは言い難い。さらに、イベント検出効率についても多次元パラメーター空間内でどのような応答なのか精査されていない。前述の通り、O3においては多数のイベントが観測されつつあり、本研究が最初に課題とした多数統計での解析・系統誤差の影響が、天体物理学的にも有益な検討になるので、これを推進する。

  • Research Products

    (27 results)

All 2019 2018 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 4 results) Presentation (21 results) (of which Int'l Joint Research: 9 results,  Invited: 4 results)

  • [Int'l Joint Research] LIGO Hanford observatory(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      LIGO Hanford observatory
  • [Journal Article] Molecular adsorbed layer formation on cooled mirrors and its impacts on cryogenic gravitational wave telescopes2019

    • Author(s)
      Hasegawa Kunihiko, Akutsu Tomotada, Kimura Nobuhiro, Saito Yoshio, Suzuki Toshikazu, Tomaru Takayuki, Ueda Ayako, Miyoki Shinji
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 99 Pages: 022003

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.99.022003

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Prospects for observing and localizing gravitational-wave transients with Advanced LIGO, Advanced Virgo and KAGRA2018

    • Author(s)
      tt B. P. et al. , KAGRA Collaboration, LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration
    • Journal Title

      Living Reviews in Relativity

      Volume: 21 Pages: 3

    • DOI

      10.1007/s41114-018-0012-9

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Construction of KAGRA: an underground gravitational-wave observatory2018

    • Author(s)
      Akutsu T, et al., KAGRA Collaboration
    • Journal Title

      Progress of Theoretical and Experimental Physics

      Volume: 2018 Pages: 013F01

    • DOI

      10.1093/ptep/ptx180

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] 大型低温重力波望遠鏡 KAGRA におけるデータ自動転送システムの開発と性能評価2018

    • Author(s)
      酒井一樹, 神田展行, 大原謙一, 山本尚弘, 宮川治, 佐々木幸次, 植木聡史, 高橋弘毅
    • Journal Title

      電子情報通信学会論文誌 B

      Volume: J101-B No.9 Pages: 818-827

    • DOI

      10.14923/transcomj.2017JBP3064

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Improving the absolute accuracy of the gravitational wave detectors by combining the photon pressure and gravity field calibrators2018

    • Author(s)
      Inoue Yuki, Haino Sadakazu, Kanda Nobuyuki, Ogawa Yujiro, Suzuki Toshikazu, Tomaru Takayuki, Yamanmoto Takahiro, Yokozawa Takaaki
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 98 Pages: 022005

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.98.022005

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 第三世代重力波検出器を用いた観測による種族III星の間接的な存在証明について2019

    • Author(s)
      宮本晃伸, 衣川智弥, 神田展行
    • Organizer
      日本物理学会第74回年次大会
  • [Presentation] KAGRAのデータ配送と国際重力波観測ネットワークのデータ共有2019

    • Author(s)
      神田展行, KAGRA collaboration
    • Organizer
      日本物理学会第74回年次大会
  • [Presentation] KAGRAにおける光輻射圧を用いた重力波波形注入試験2019

    • Author(s)
      澤田崇広, KAGRA collaboration
    • Organizer
      日本物理学会第74回年次大会
  • [Presentation] KAGRAシミュレーションデータの作成と性能評価2019

    • Author(s)
      土田怜, KAGRA Collaboration
    • Organizer
      日本物理学会第74回年次大会
  • [Presentation] KAGRAにおける光輻射圧較正レーザー照射位置測定のための画像解析2019

    • Author(s)
      富上由基, KAGRA Collaboration
    • Organizer
      日本物理学会第74回年次大会
  • [Presentation] Black Coatings in UHV2019

    • Author(s)
      T.Tomaru
    • Organizer
      NSF Workshop on Large UHV Systems for Frontier Scientific Research, LIGO Livingston, Louisiana
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] KAGRA重力波観測実験とPhoton Calibratorの鏡位置モニター系の開発2018

    • Author(s)
      富上由基
    • Organizer
      アインシュタインセミナー(大阪市立大学)
  • [Presentation] 重力波検出器KAGRAにおける伝達関数測定とモデル作成2018

    • Author(s)
      土田怜
    • Organizer
      日本物理学会2018年秋季大会
  • [Presentation] The estimation for systematic errors of transfer functions on the bKAGRA phase-1 operation2018

    • Author(s)
      Satoshi Tsuchida
    • Organizer
      GWPAW2018(Gravitational Wave Physics and Astronomy Workshop)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] The transfer functions and estimation for their systematic errors on the bKAGRA phase-1 operation2018

    • Author(s)
      Satoshi Tsuchida
    • Organizer
      International Symposium in Honor of Professor Nambu for the 10th Anniversary of his Nobel Prize in Physics
  • [Presentation] Exclusive Drell-Yan experiment at J-PARC for studying proton GPDs2018

    • Author(s)
      澤田崇広
    • Organizer
      The 2nd workshop on Parton Distribution Functions and Lattice QCD
    • Invited
  • [Presentation] bKAGRA phase 1 における較正精度の見積もり2018

    • Author(s)
      澤田崇広
    • Organizer
      日本物理学会 2018年秋季大会
  • [Presentation] KAGRA data management : Toward Phase-II and O32018

    • Author(s)
      N.Kanda on behalf of KAGRA collaboration
    • Organizer
      4th KAGRA International Workshop
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Status of KAGRA2018

    • Author(s)
      Nobuyuki Kanda (Osaka City U.) on behalf of the KAGRA collaboration
    • Organizer
      LSC-Virgo Meeting
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] キャリブレーションの系統誤差効果を考慮したKAGRAシミュレーションデータ2018

    • Author(s)
      神田展行, KAGRA collaboration
    • Organizer
      日本物理学会 2018年秋季大会
  • [Presentation] Status of KAGRA toward the observation in 2019-20202018

    • Author(s)
      N.Kanda on behalf of KAGRA collaboration
    • Organizer
      SNeGWν2018 (Deciphering multi-Dimensional nature of core-collapse SuperNovae via Gravitational-Wave and neutrino signatures )
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Gravitational Wave Telescope KAGRA, Signal Reconstruction and Calibration2018

    • Author(s)
      Takahiro Sawada
    • Organizer
      International Symposium in Honor of Professor Nambu for the 10th Anniversary of his Nobel Prize in Physics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Gravitational wave astronomy using distant binary black hole mergers2018

    • Author(s)
      Akinobu Miyamoto
    • Organizer
      International Symposium in Honor of Professor Nambu for the 10th Anniversary of his Nobel Prize in Physics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] bKAGRA phase1における重力波波形注入試験(2)2018

    • Author(s)
      宮本晃伸
    • Organizer
      日本物理学会2018年秋季大会
  • [Presentation] Development of KAGRA Photon Calibrator2018

    • Author(s)
      Yu-Kuang Chu
    • Organizer
      KAGRA International Workshop
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] STATUS OF KAGRA CRYOGENIC SYSTEM ± 1 YEAR2018

    • Author(s)
      T.Tomaru on behalf of KAGRA
    • Organizer
      4th KAGRA International Workshop, Seoul,
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2019-12-27  

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