変位雑音相殺干渉計技術の展開による超標準量子限界干渉計の実現

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25247042
• Research Institution: Hosei University
• Principal Investigator: 佐藤 修一 法政大学, 理工学部, 教授 (30425409)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高橋 竜太郎 国立天文台, 重力波プロジェクト推進室, 助教 (60270451)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: 重力波

Outline of Annual Research Achievements

本研究は従来と全く異なるアプローチである変位雑音相殺技術をさらに展開することによって、レーザー干渉計による位置測定の量子力学的限界である標準量子限界を超える方法を提案し、実験によって超標準量子限界となるレーザー干渉計を実現することを目的としている。雑音のキャンセルという独創的な手法を用いることによってコンパクトな超高感度「位相」センサーとなる干渉計を構築し、フルスペックの干渉計設備を用いることなく、テーブルトップサイズの小型干渉計でありながら世界有数の位相感度を目指す。
変位雑音相殺干渉計を用いたこれまでの研究によると、標準量子限界を超える感度レベルに到達するには、ハイパワーのレーザー、徹底された防振系、及び軽量の鏡（試験マス）の３つの技術要素を高いレベルで実現することがポイントである。本研究では後者２点について整備を行うことによって外部擾乱を抑え、SQLの感度領域にアクセスする。これを踏まえ、今年度は高感度地震計（センサ）と受動防振装置（支持機構）を組み合わせた能動防振系の開発を行った。受動防振装置はヘキサポッドなどの固定支持機構を用いる場合に比較して防振効果も得られることがポイントである。真空槽そのものを防振したのち、真空槽の内部でさらに光学定盤を能動防振するといった２段構成の防振系とし、1Hzでの防振比を稼ぐ構成とした。真空槽内で閉じた系の能動防振系とするために真空槽に収納できる形態での制御系の設計を行った。併せて軽量鏡を実装するための捻れ振り子の開発を進めた。構造による非対称性を小さく抑えることで併進と回転の結合を極小化することが重要である。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本年度は標準量子限界を超える感度レベルに到達するために挙げた３つのポイントのうち、「徹底した防振系」については高感度地震計（センサ）と受動防振装置（支持機構）に真空槽を組み合わせた能動防振系の開発を行った。受動防振装置としてはMinus-K社製品を選定し性能評価を行った。真空槽をMinus-Kで支え、さらに真空槽内にMinus-Kを設置して光学定盤を支えるという二重の構造としており、これらの調整を進めた。また制御系を含む能動防振系は真空槽内に格納されるため、電気回路、計算機などをコンパクトに設計し真空槽内格納型の制御機構として設計製作を進めた。また前年度経費で製作を行った鏡のアライメント不感となる光学系について性能評価を行った。複雑な光学系であるため、「光学素子」としての透過率は現在80%程度であるが、本来の目的であるアライメント不感特性についてはほぼ設計通りの性能であることが確認された。マイケルソン干渉計であればビームのダイバージェンスアングル程度のミスアライメントで完全に干渉を失うが、この光学系を用いることにより、光学系の大きさにともなう物理的制限の範囲内においてはミスアライメントの効果は認められないことが確認された。これらの観点から、本研究は概ね順調に進展していると評価される。

Strategy for Future Research Activity

真空槽を含めた能動防振系については引き続き機構・制御部などの設計製作を行い、能動防振としての性能評価を行う。この際、受動防振装置の調整が重要で、この調整によって全体の性能が決まることから慎重に調整を進める。併せて軽量鏡を懸架するための振り子機構の製作を行い、アライメント不感光学系と合わせて真空槽内に実装する予定である。安定な干渉計動作が確認できたらシステム全体として感度の評価に進み、ノイズバジェットなどのコミッショニングを経て干渉計の高感度化を進める。

Research Products

• [Presentation] Investigation of crackling noise in the vibration isolation system of KAGRA gravitational wave detector(1) (2016)
  • Author(s): 劉英涛, 山中祐治, 川村静児, 高橋竜太郎
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 東北学院大学 泉キャンパス（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2016-03-22 – 2016-03-22
• [Presentation] スペース重力波アンテナDECIGO計画（71）：pre-DECIGOの設計 (2016)
  • Author(s): 佐藤修一, DECIGOワーキンググループ
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 東北学院大学 泉キャンパス（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2016-03-21 – 2016-03-21
• [Presentation] スペース重力波アンテナDECIGO計画（72）：μNスラスタスタンドの開発 (2016)
  • Author(s): 久保海, 野々村拓也, 東浦孝典, 大塩裕哉, 船木一幸, 佐藤修一
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 東北学院大学 泉キャンパス（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2016-03-21 – 2016-03-21
• [Presentation] スペース重力波アンテナDECIGO計画（68)：DECIGO計画の概要 (2016)
  • Author(s): 安東正樹，川村静児，瀬戸直樹，中村卓史，坪野公夫，佐藤修一，田中貴浩，船木一幸，沼田健司，神田展行，井岡邦仁，高島健，横山順一，阿久津智忠，武者満，上田暁俊，麻生洋一，新谷昌人，坂井真一郎，他
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 東北学院大学 泉キャンパス（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2016-03-21 – 2016-03-21
• [Presentation] ねじれ振り子型重力波検出器TOBAの開発（1） (2016)
  • Author(s): 下田智文, 有冨尚紀, 桑原祐也, 道村唯太, 正田亜八香, 麻生洋一, 高橋竜太郎, 山元一広, 安東正樹
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 東北学院大学 泉キャンパス（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2016-03-21 – 2016-03-21
• [Presentation] ねじれ振り子型重力波検出器TOBAの開発 (2) (2016)
  • Author(s): 有冨尚紀, 下田智文, 桑原祐也, 道村唯太, 正田亜八香, 麻生洋一, 高橋竜太郎, 山元一広, 安東正樹
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 東北学院大学 泉キャンパス（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2016-03-21 – 2016-03-21
• [Presentation] 大型低温重力波望遠鏡(KAGRA)プロジェクトの現状 (2016)
  • Author(s): 高橋竜太郎, KAGRA Collaboration
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 東北学院大学 泉キャンパス（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2016-03-21 – 2016-03-21
• [Presentation] KAGRA用防振装置の開発XVI（全体） (2016)
  • Author(s): 正田亜八香, 高橋竜太郎, 奥富弘基, 藤井善範, 関口貴令, F. E. Pena Arellano, M. Barton, 平田直篤, 石崎秀晴, 阿久津智忠, 大石奈緒子, 麻生洋一, R. Flaminio, 山元一広, 内山隆, 宮川治, 上泉眞裕, R. DeSalvo, E. Majorana, 我妻一博, J. van Heijningen
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 東北学院大学 泉キャンパス（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2016-03-21 – 2016-03-21
• [Presentation] KAGRA用防振装置の開発XVII（インストール） (2016)
  • Author(s): 藤井善範, 高橋竜太郎, 奥富弘基, 正田亜八香, F. E. Pena Arellano, M. Barton, 平田直篤, 石崎秀晴, 阿久津智忠, 大石奈緒子, 麻生洋一, R. Flaminio, 山元一広, 内山隆, 宮川治, 上泉眞裕, R. DeSalvo, E. Majorana, 我妻一博, J. van Heijningen, KAGRA collaboration
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 東北学院大学 泉キャンパス（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2016-03-21 – 2016-03-21
• [Presentation] KAGRA用防振装置の開発XVIII（制御系） (2016)
  • Author(s): 奥富弘基, 高橋竜太郎, 正田亜八香, 藤井善範, F. E. Pena Arellano, M. Barton, 平田直篤, 石崎秀晴, 関口貴令, 阿久津智忠, 大石奈緒子, 麻生洋一, R. Flaminio, 山元一広, 内山隆, 宮川治, 上泉眞裕, R. DeSalvo, E. Majorana, 我妻一博, J. van Heijningen, KAGRA collaboration
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 東北学院大学 泉キャンパス（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2016-03-21 – 2016-03-21
• [Presentation] スペース重力波アンテナDECIGO計画（67)：pre-DECIGOの設計 (2015)
  • Author(s): 佐藤修一, DECIGOワーキンググループ
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 大阪市大（大阪府・大阪市）
  • Year and Date: 2015-09-28 – 2015-09-28
• [Presentation] スペース重力波アンテナDECIGO計画（64)：DECIGO計画の概要 (2015)
  • Author(s): 安東正樹，川村静児，瀬戸直樹，中村卓史，坪野公夫，佐藤修一，田中貴浩，船木一幸，沼田健司，神田展行，井岡邦仁，高島健，横山順一，阿久津智忠，武者満，上田暁俊，麻生洋一，新谷昌人，坂井真一郎，他
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 大阪市大（大阪府・大阪市）
  • Year and Date: 2015-09-28 – 2015-09-28
• [Presentation] KAGRA用防振装置の開発 XIV (全体) (2015)
  • Author(s): 高橋竜太郎, 大石奈緒子, 石崎秀晴, F. E. Pena Arellano, M. Barton, 平田直篤, 正田亜八香, 奥富弘基, 藤井善範, 阿久津智忠, 麻生洋一, R. Flaminio, 山元一広, 内山隆, 関口貴令, 宮川治, 上泉眞裕, R. DeSalvo, E. Majorana, E. Hennes, J. van den Brand, A. Bertolini, 我妻一博, J. van Heijnigen, KAGRA collaboration
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 大阪市大（大阪府・大阪市）
  • Year and Date: 2015-09-27 – 2015-09-27
• [Presentation] KAGRA用防振装置の開発XV（R＆D） (2015)
  • Author(s): 奥富弘基, 高橋竜太郎, 関口貴令, 藤井善範, 宮本昂拓, 正田亜八香, F. E. Pena Arellano, M. Barton, 平田直篤, 石崎秀晴, 阿久津智忠, 大石奈緒子, 麻生洋一, R. Flaminio, 山元一広, 内山隆, 宮川治, 上泉眞裕, R. DeSalvo, E. Majorana, 我妻一博, J. van Heijningen, KAGRA collaboration
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 大阪市大（大阪府・大阪市）
  • Year and Date: 2015-09-27 – 2015-09-27
• [Presentation] 大型低温重力波望遠鏡KAGRAにおける懸架系の制御(II) (2015)
  • Author(s): 関口貴令, 高橋竜太郎, 藤井善範, 正田亜八香, 奥富弘基, 宮本昂拓, 石塚秀喜, 内山隆, Joris van Heijningen, Fabian Pena Arellano, Mark Barton, 石崎秀晴, Ettore Majorana, 阿久津智忠, 宮川治, 上泉眞裕, 麻生洋一, Raffaele Flaminio, 梶田隆章
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 大阪市大（大阪府・大阪市）
  • Year and Date: 2015-09-27 – 2015-09-27
• [Patent(Industrial Property Rights)] 干渉型測距計 (2016)
  • Inventor(s): 佐藤 修一
  • Industrial Property Rights Holder: 学校法人法政大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 特願２０１６ー０６２５９１
  • Filing Date: 2016-03-25