光リング共振器を用いた光子のローレンツ不変性検証

• 研究課題/領域番号: 18J21016
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理(実験)
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 武田 紘樹 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2018-04-25 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 2,800千円 (直接経費: 2,800千円); 2020年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2019年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2018年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
• キーワード: ローレンツ不変性 / 異方性 / 光速 / 光共振器 / 相対性理論 / 干渉計 / 対称性 / 拡張標準模型

研究実績の概要

本研究は光リング共振器を用いて光速の異方性を探査することで光子のローレンツ不変性を高精度検証することを目的としている。我々はこれまで簡易な信号変調のための非連続回転系と光学系を用いて、6e-15レベルでの世界最高精度で奇パリティの異方性探査を行ってきた。その感度は回転に伴う振動雑音で制限されていたため、振動感度を低減することでさらなる高精度検証を目指している。 当年度は、ローレンツ不変性の破れが示唆されている光速差で-17乗の世界最高精度で片道光速の異方性を検証するために、回転機構の調整を行うことが目的であった。本年度は回転台部の傾きを調整するなどして雑音源の把握に努めた。
また、ある種のローレンツ不変性の破れが許されている重力理論においては重力波は非テンソル的な偏極成分を持つことが許される。重力波の自由度の性質はこのように重力理論を反映するので、重力波の偏極モード検証によって重力理論検証が可能となる。本年度は本研究課題を派生させ、GW170814やGW170817といったコンパクト連星合体からの重力波イベントに対して、重力波の偏極モードを二つの枠組みで解析した。1つ目はコンパクト連星合体からの重力波の純偏極モード探査解析である。コンパクト連星合体からの重力波観測データを、軌道傾斜角依存性を考慮して再解析し、テンソルモードが支配的であることを示した。得られた制限は先行研究を大きく上回るものであり強く一般相対論を支持する結果が得られた。2つ目はスカラー・テンソル理論などで予言されているようなスカラーとテンソルモードの混合偏極モード探査解析である。その結果、スカラーモード振幅に強重力場で最も強い一般相対性理論に無矛盾な制限を与えた。合体直前の強い重力場で付加的なスカラーモード振幅に制限を与えたのは初めてであり、現実の拡張重力理論に対する観測的知見を得た。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Pure polarization test of GW170814 and GW170817 using waveforms consistent with modified theories of gravity (2021)
  • 著者名/発表者名: Takeda Hiroki、Morisaki Soichiro、Nishizawa Atsushi
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 103 号: 6 ページ: 064037-064037
  • DOI: 10.1103/physrevd.103.064037
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Demonstration of a dual-pass differential Fabry窶撤erot interferometer for future interferometric space gravitational wave antennas (2021)
  • 著者名/発表者名: Koji Nagano, Hiroki Takeda, Yuta Michimura, Takashi Uchiyama, Masaki Ando
  • 雑誌名: Classical and Quantum Gravity 巻: 38 号: 8 ページ: 85018-85018
  • DOI: 10.1088/1361-6382/abed60
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Prospects for improving the sensitivity of the cryogenic gravitational wave detector KAGRA (2020)
  • 著者名/発表者名: Michimura Yuta et al
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 102 号: 2 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1103/physrevd.102.022008
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Prospects for fundamental physics with LISA (2020)
  • 著者名/発表者名: Barausse Enrico et. al.
  • 雑誌名: General Relativity and Gravitation 巻: 52 号: 8 ページ: 81-81
  • DOI: 10.1007/s10714-020-02691-1
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Overview of KAGRA : KAGRA science (2020)
  • 著者名/発表者名: A. Akutsu, H. Shinkai, KAGRA collaboration
  • 雑誌名: Progress of Theoretical Experimental Physics 巻: ptaa120 号: 5 ページ: 1-68
  • DOI: 10.1093/ptep/ptaa120
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The current status of contribution activities in Japan for LISA (2020)
  • 著者名/発表者名: Kiwamu Izumi et al.
  • 雑誌名: Progress of Theoretical and Experimental Physics 巻: 2020 号: 5 ページ: 124-124
  • DOI: 10.1093/ptep/ptaa124
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Compact integrated optical sensors and electromagnetic actuators for vibration isolation systems in the gravitational-wave detector KAGRA (2020)
  • 著者名/発表者名: Tomotada Akutsu et al.
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 91 号: 11 ページ: 115001-115001
  • DOI: 10.1063/5.0022242
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] An arm length stabilization system for KAGRA and future gravitational-wave detectors (2020)
  • 著者名/発表者名: Akutsu T, et al. (KAGRA Collaboration)
  • 雑誌名: Classical and Quantum Gravity 巻: 37 号: 3 ページ: 035004-035004
  • DOI: 10.1088/1361-6382/ab5c95
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Prospects for gravitational-wave polarization tests from compact binary mergers with future ground-based detectors (2019)
  • 著者名/発表者名: Takeda Hiroki、Nishizawa Atsushi、Nagano Koji、Michimura Yuta、Komori Kentaro、Ando Masaki、Hayama Kazuhiro
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 100 号: 4 ページ: 042001-042013
  • DOI: 10.1103/physrevd.100.042001
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] First cryogenic test operation of underground km-scale gravitational-wave observatory KAGRA (2019)
  • 著者名/発表者名: Akutsu T, et al. (KAGRA Collaboration)
  • 雑誌名: Classical and Quantum Gravity 巻: 36 号: 16 ページ: 165008-165008
  • DOI: 10.1088/1361-6382/ab28a9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Vibration isolation system with a compact damping system for power recycling mirrors of KAGRA (2019)
  • 著者名/発表者名: KAGRA Collaboration
  • 雑誌名: Classical and Quantum Gravity 巻: 36 号: 9 ページ: 95015-95015
  • DOI: 10.1088/1361-6382/ab0fcb
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] KAGRA: 2.5 generation interferometric gravitational wave detector (2019)
  • 著者名/発表者名: KAGRA collaboration
  • 雑誌名: Nature Astronomy 巻: 3 号: 1 ページ: 35-40
  • DOI: 10.1038/s41550-018-0658-y
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Prospects for observing and localizing gravitational-wave transients with Advanced LIGO, Advanced Virgo and KAGRA (2018)
  • 著者名/発表者名: B. P. Abbott et al.
  • 雑誌名: Living Reviews in Relativity 巻: 21 号: 1 ページ: 1-57
  • DOI: 10.1007/s41114-018-0012-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Polarization test of gravitational waves from compact binary coalescences (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Takeda, Atsushi Nishizawa, Yuta Michimura, Koji Nagano, Kentaro Komori, Masaki Ando, Kazuhiro Hayama
  • 雑誌名: Phys. Rev. D 巻: 98 号: 2 ページ: 22008-22008
  • DOI: 10.1103/physrevd.98.022008
  • NAID: 130007735273
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Direct approach for the fluctuation-dissipation theorem under nonequilibrium steady-state conditions (2018)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Komori, Yutaro Enomoto, Hiroki Takeda, Yuta Michimura, Kentaro Somiya, Masaki Ando, Stefan W. Ballmer
  • 雑誌名: Phys. Rev. D 巻: 97 号: 10 ページ: 102001-102001
  • DOI: 10.1103/physrevd.97.102001
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Particle swarm optimization of the sensitivity of a cryogenic gravitational wave detector (2018)
  • 著者名/発表者名: Yuta Michimura, Kentaro Komori, Atsushi Nishizawa, Hiroki Takeda, Koji Nagano, Yutaro Enomoto, Kazuhiro Hayama, Kentaro Somiya, Masaki Ando
  • 雑誌名: Phys. Rev. D 巻: 97 号: 12 ページ: 122003-122003
  • DOI: 10.1103/physrevd.97.122003
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] インスパイラル重力波のスカラーテンソル混合偏極探査 (2021)
  • 著者名/発表者名: 武田紘樹, 森崎宗一郎, 西澤篤志
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] Polarization tests of GW170814 and GW170817 using waveforms consistent with alternative theories of gravity (2020)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Takeda, Soichiro Morisaki, Atsushi Nishizawa
  • 学会等名: 7th KAGRA International Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] Tests of alternative theories of gravity through gravitational-wave polarization modes (2020)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Takeda, Soichiro Morisaki, Atsushi Nishizawa
  • 学会等名: KAGRA The 26th Face to Face Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] コンパクト連星合体からの重力波純偏極モード探査 (2020)
  • 著者名/発表者名: 武田紘樹, 森崎宗一郎, 西澤篤志
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] Tests of alternative theories of gravity through gravitational-wave polarizations (2020)
  • 著者名/発表者名: 武田紘樹, 森崎宗一郎, 西澤篤志
  • 学会等名: 第33回 理論懇シンポジウム
• [学会発表] デシヘルツ重力波天文学における Ia型超新星起源の探査 (2020)
  • 著者名/発表者名: 武田 紘樹, 衣川 智弥, 山口 弘悦
  • 学会等名: 日本天文学会2020年春季年会
• [学会発表] Prospects for gravitational-wave polarization test from compact binary coalescences with next-generation detectors (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Takeda, Atsushi Nishizawa, Yuta Michimura, Koji Nagano, Kentaro Komori, Masaki Ando, and Kazuhiro Hayama,
  • 学会等名: 22nd International Conference on General Relativity and Gravitation, 13th Edoardo Amaldi Conference on Gravitational Waves
  • 国際学会
• [学会発表] 光リング共振器を用いたLorentz不変性検証(5) (2019)
  • 著者名/発表者名: 武田紘樹, 千代田 大樹, 道村 唯太, 安東 正樹
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [学会発表] Ability of DECIGO to constrain the Type Ia supernova progenitor system (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Takeda, Tomoya Kinugawa, and Hiroya Yamaguchi
  • 学会等名: Gravitational Wave Physics and Astronomy Workshop 2019
  • 国際学会
• [学会発表] 超小型衛星を用いた光速等方性検証ミッションの提 案 (2019)
  • 著者名/発表者名: 武田 紘樹, 道村 唯太, 長野 晃士, 五十里 哲
  • 学会等名: 超小型衛星利用シンポジウム
• [学会発表] 第三世代重力波望遠 鏡によるコンパクト連星合体からの重力波偏極モード検証 (2019)
  • 著者名/発表者名: 武田紘樹, 西澤篤志, 道村唯太, 長野晃士, 小森健太郎, 安東正樹, 端山和大
  • 学会等名: 日本物理学会第74回年次大会
• [学会発表] Polarization test of gravitational waves from compact binary coalescences (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Takeda, Atsushi Nishizawa, Yuta Michimura, Koji Nagano, Kentaro Komori, Masaki Ando, Kazuhiro Hayama
  • 学会等名: Fifteenth Marcel Grossmann Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Parameter estimation with inspiral waveforms of compact binary coalescences including nontensorial gravitational waves polarizations (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Takeda, Atsushi Nishizawa, Yuta Michimura, Koji Nagano, Kentaro Komori, Masaki Ando, Kazuhiro Hayama
  • 学会等名: 19th KAGRA face-to-face meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Probing nontensorial polarization of inspiral gravitational waves with the third-generation detectors (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Takeda, Atsushi Nishizawa, Yuta Michimura, Koji Nagano, Kentaro Komori, Masaki Ando, Kazuhiro Hayama
  • 学会等名: JGRG28
• [学会発表] コンパクト連星合体 からの重力波偏極モード検証 (2018)
  • 著者名/発表者名: 武田紘樹, 西澤篤志, 道村唯太, 長野晃士, 小森健太郎, 安東正樹, 端山和大
  • 学会等名: 日本物理学会2018年秋季大会
• [備考] TAKEDA Hiroki
  • URL: http://granite.phys.s.u-tokyo.ac.jp/takeda/html/takeda.html