2023 Fiscal Year Research-status Report
Development of data analysis toward the search for cosmological stochastic background of gravitational waves
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21K03580
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| Research Institution | Nihon University |
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Principal Investigator |
姫本 宣朗 日本大学, 生産工学部, 教授 (40552352)
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2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 重力波 / データ解析 / 背景重力波 / シューマン共鳴 / 一般相対論 / 暗黒物質 / アクシオン / 環境磁場 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
現在稼働中のLIGO・Virgo・KAGRAや第3世代の重力波検出器であるEinstein Telescopeの完成により，背景重力波の検出が現実のものになろうとしている。背景重力波の候補の一つとしては，多数のコンパクト連星合体からの重力波の重ね合わせによるものがあり，この検出には複数の検出器のデータを相関解析することが不可欠である。なぜなら，一台の検出器では雑音との区別が原理的に不可能だからである。しかしながら，地球にはシューマン共鳴磁場とよばれる大域磁場が存在し，これが検出器の制御系と結合することで，各検出器からのデータを相関解析をする際，相関雑音が生じることがわかっている。そのため，LIGO・Virgo・KAGRAでは，観測データから相関雑音を除去し，重力波信号を効率よく抽出できるように，常に検出器周りの環境磁場をモニタリングしている。
本年度は，重力波検出器周りの環境磁場のデータに着目し，そのデータを用いた，暗黒物質の候補である超軽量アクシオンの探査の可能性について研究を行なった。想定しているアクシオンが存在すれば，地球の地磁気との結合を通じて，地球表面と電離層の間に定在した極超長波電磁波が発生することが予想されており，シューマン共鳴に特徴的な周波数領域に，その兆候が現れると考えられている。これまでの理論的解析によって，アクシオンと地磁気との結合定数に関する制限について，環境磁場データを用いたアクシオン探査が，他実験の結果を凌駕する可能性があることがわかった。現在論文掲載に向けて準備中である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究の主な目標は二つである。一つ目は，重力波検出器間の相関解析によって生じるシューマン共鳴磁場による相関雑音の低減を目指すことである。二つ目は，相関雑音の低減によって得られる天体起源の背景重力波を宇宙論的背景重力波から分離するためのデータ解析の構築を行うことである。これまでの研究で，背景重力波と相関雑音を特徴づけるパラメータを同時に推定し，それらが識別可能であることをフィッシャー解析で確認したことで事実上，相関雑音の低減が可能であることが示された。また，重なり合った連星系からの重力波を個々に特定できることを解析的に示し，天体起源の背景重力波の取り除きがデータ解析において原理的に可能であることを示した。今年度は，シューマン共鳴磁場の研究を応用して，アクシオンの探査の可能性について研究を進めた。当初，シューマン共鳴磁場は，背景重力波の検出にとって雑音の原因として研究対象に扱っていたが，理解の深化にともない，宇宙論（宇宙の暗黒問題）や地球物理（大気の伝導率や地震との関連など）の領域にまで研究対象がひろがった。現在のところ，進捗状況は，当初の方針通りに加えて，新たな研究に発展する可能性も秘めており，おおむね順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度のR6年度は，これまでの研究の総括として，相関ノイズの低減を考慮した実践的データ解析の開発を行なっていく。特にKAGRAでの実証実験に基づいて，シューマン共鳴磁場に対する検出器の応答特性のモデル化を行 っていく。そのためにも，KAGRAのメンバーと積極的に議論を行い，まずは KAGRA の応答特性のモデル化に努めていく。この理論モデルと，申請者のこれまでの研究による相関雑音を評価するための解析表式に基づいて，重力波信号を効率よく抽出できる相関雑音の低減を最大限に考慮したフィルター(信号処理)の構築を行っていく。 最終的にKAGRAのデータ処理にこのフィルターを実装し，天体起源的背景重力波の検出可能性について議論を行う。また，シューマン共鳴磁場は，日変動や季節変動などの非定常な性質を持つため，これらの影響を考慮したデータ解析手法を考案していくと同時に，これらのデータを用いたアクシオンの探査についても研究を行なっていく。これらの研究を進めていく上で、理論的側面においては共同研究者である樽家氏(京都大学基礎物理学研究所)と西澤氏(広島大学大学院先進理工系科学研究科)と行い，また実際のデータ提供に関しては重力波検出器KAGRAのメンバーである鷲見氏の協力を得て，研究を遂行していく。
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| Causes of Carryover |
本年度は，海外の国際学会の参加を見込んでいたが，想像以上に海外が物価高であったことから，オンラインでそれらに参加したことにより，旅費の出費が予想より大幅に下回る結果となった。次年度は，海外の対面の研究会に積極的に参加する予定であることから，予算計上通りに執行できるものと想定している。
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