第3世代レーザー干渉計重力波検出器へ向けた 重力勾配雑音の相殺技術の実証実験

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K18629
• Research Institution: Hosei University
• Principal Investigator: 佐藤 修一 法政大学, 理工学部, 教授 (30425409)
• Project Period (FY): 2021-07-09 – 2024-03-31
• Keywords: 重力波

Outline of Annual Research Achievements

重力場変動による変位（加速度）信号を測定するためのDFI干渉計の設計を行なった．重力場変動による信号を観測することと併せて，最終的にはこれらを相殺することのできる光学系として，最もシンプルな DFIである双方向マッハツェンダー干渉計を採用することとした．同一の干渉計光学系に両方向からレーザーを入射することにより干渉計出力を2つ得ることができるが，鏡の変位の情報は両干渉計の出力に等しく現れるため，これらの信号を後処理で引き算することにより，鏡の変位情報(雑音)を消去することができる．この際，逆向きの干渉計の情報を使っているため，重力波の信号も一緒に消去されないように調整できるところがDFIの特徴である．一方で，本研究の目的は重力場変動による変位雑音を測定することであることから，DFIの変位雑音除去機能を地面振動など擾乱由来の変位殺音には適用しつつ，重力場変動由来の変位雑音には感度があるようなDFIの幾何学設計を採用した．併せて干渉計を光学素子全固定型モノリシック構造とし，地面振動による雑音効果を受けにくい構成とすることとした．
併せて重力場変動を生成する機構として回転ディスク型のアトラクタとその回転機構（モータ）についての検討を行なった．回転機構の発生する振動雑音が干渉計に支配的に現れないよう，回転機構と干渉計は別プラットフォームに設置し，かつ干渉計は能動防震系に設置するものとする．さらに回転機構の発生する変位雑音は多かれ少なかれ必ず干渉計信号に現れるが，この振動由来の変位信号と，本研究の目的である重力場変動由来の変位（加速度）信号を区別するために，回転ディスク上の質量（アトラクタ）の配置を工夫することで異なる周波数での信号を印加することができるようなシステムとする．これらの構成によって，本来の目的である重力場変動による干渉計信号の観測ができるかどうかの評価を進めている．

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究の目的である重力場変動由来の干渉計信号を観測するためには，センサとなる干渉計ができるだけ擾乱に不感となる光学設計を行うこと，併せて重力アトラクタとなる回転ディスク機構が発生する変位雑音が干渉計に現れにくくする設計の２つが大きな柱である．両者について定性的・定量的評価を行い，干渉計および回転機構の設計製作に進める段階まで検討が進んだものと評価される．

Strategy for Future Research Activity

干渉計と回転機構の設計・製作を行い，それぞれについて機能確認をすると共に，両者を組み合わせた状態での感度測定を行う．干渉計は重力相互作用以外からの擾乱としての影響をできるだけ避けるためにモノリシック構造を基本とする．これはこれまでの我々の実績により，通常のテーブルトップに構築した場合の干渉計に比較して2-3桁の雑音低減効果が期待されることが示されている．一方で本研究では信号となる重力相互作用による信号，つまり万有引力による信号を得るためには少なくとも干渉計の１つの鏡はフリーにする．これはモノリシック光学系の恩恵を被ることなく地面振動など擾乱の影響を受けることから，防振装置によって最大限の低減を実施する．これら擾乱の影響下にあってもなお万有引力由来の信号を確認するための重要なポイントは，擾乱由来の雑音は周波数帯域でブロードなスペクトルを示す比較的ランダムな性格であることに比較して，印加する万有引力由来の加速度信号は特定の（擾乱と混乱しにくい）周波数に特化したモノクロマティックな信号であることに依る．これを実現するのがディスクの回転機構である．特定の質量を特定の個数ディスク上に配置し，特定の回転周波数で回転させることによって干渉計の加速度プローブとなる鏡に特定の周波数の変調を加える．このスペクトル上のピークを同定することにより万有引力由来の加速度信号を検出する．これ以降は如何に重力場変動由来の干渉計信号を観測するかの雑音低減との闘いである．

Causes of Carryover

実験装置としての干渉計と回転機構の設計を行い，その結果を踏まえて設計製作に進む予定で進めていたが，光学系電機系ともに年末あたりから発注後納期が長期化していたため，次年度調達にすることとした．