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

2023 Fiscal Year Final Research Report

• 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: Kawamura Seiji 名古屋大学, 理学研究科, 教授 (40301725)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• 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

Outline of Final Research Achievements

The aim of this study was to develop a displacement-noise-free neutron interferometer and validate its principles, targeting the detection of primordial gravitational waves on the ground.
On the theoretical front, we devised methods including introducing neutrons from both sides into two Mach-Zehnder interferometers, introducing neutrons of two velocities from both sides into one interferometer, introducing neutrons of four velocities from one side into one interferometer, and utilizing a Sagnac interferometer, and conducted detailed examinations for each.
On the experimental front, we designed and fabricated an actuator that vibrates the angle of a zigzag-type aluminum plate using piezoelectric transducers, and successfully experimentally demonstrated the principle of the displacement-noise-free neutron interferometer at J-PARC.

Free Research Field

重力波物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

2015年の重力波の初検出により重力波天文学が創成し、その後も検出が続いている。今後は、重力波天文学をさらに発展させ、最終的には宇宙誕生直後のインフレーションから発生したと予想される原始重力波を検出し、宇宙誕生の謎を解き明かすことが期待されている。そのような状況の中、我々が開発した変位雑音フリー中性子干渉計は、従来の地上の重力波検出器の感度を低周波帯で飛躍的に改善する可能性を持つ全く新しい検出方式である。本研究により、その具体的な干渉計構成が明らかにされ、その原理が実験的に検証されたことにより、変位雑音フリー中性子干渉計の実現への着実な一歩を踏み出すことができた。