折り返し光共振器を用いた低温コーティング熱雑音の直接測定

• 研究課題/領域番号: 18K03681
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分15020:素粒子、原子核、宇宙線および宇宙物理に関連する実験
• 研究機関: 国立天文台
• 研究代表者: 麻生 洋一 国立天文台, 重力波プロジェクト, 准教授 (10568174)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2020年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2019年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2018年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
• キーワード: 重力波 / 低温 / 薄膜 / 熱雑音 / コーティング

研究成果の概要

重力波検出器の主要な雑音である熱雑音を低減するため、次世代検出器では鏡を低温に冷却する。しかし、そのような鏡の表面には、時間とともに吸着分子層が形成されていき、光学ロスを増大させる。我々は折返し光共振器を用いて、低温分子層の光学ロスと、厚みを同時に測定する手法を開発した。これによって、低温分子層の吸収係数を求め、アモルファス氷の文献値とほぼ同等であることを確認した。
本研究の結果、シリコン鏡を用いた次世代重力波検出器では、低温バッフルの追加による吸着層の形成抑制、CO2レーザーを用いた吸着層の加熱脱離などの対策が必要であることが示された。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究では、真空中で鏡表面に形成される薄膜の光学損失と、膜厚を同時に測定する手法を開発することに成功した。またこれを用いて低温鏡の表面に形成される吸着分子層の吸収係数を求めることにも成功した。これは次世代低温重力波検出器の設計に重要な示唆を与える結果である。本研究の成果を活用することで、低温バッフルや、分子層除去システムの設計を最適化することができる。

研究成果

• [雑誌論文] Optical loss study of the cryogenic molecular layer using a folded cavity for future gravitational-wave detectors (2021)
  • 著者名/発表者名: Tanioka Satoshi、Aso Yoichi
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 29 号: 5 ページ: 6780-6793
  • DOI: 10.1364/oe.415921
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Optical loss study of molecular layer for a cryogenic interferometric gravitational-wave detector (2020)
  • 著者名/発表者名: Tanioka Satoshi、Hasegawa Kunihiko、Aso Yoichi
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 102 号: 2 ページ: 022009-022009
  • DOI: 10.1103/physrevd.102.022009
  • 査読あり
• [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] Measuring scattering light distributions on high-absorptive surfaces for stray-light reduction in gravitational-wave detectors (2019)
  • 著者名/発表者名: Zeidler Simon、Akutsu Tomotada、Torii Yasuo、Aso Yoichi
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 27 号: 12 ページ: 16890-16890
  • DOI: 10.1364/oe.27.016890
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Demonstration of Displacement Sensing of a mg-Scale Pendulum for mm- and mg-Scale Gravity Measurements (2019)
  • 著者名/発表者名: N. Matsumoto, S. B. Catano-Lopez, M. Sugawara, S. Suzuki, N. Abe, K. Komori, Y. Michimura, Y. Aso, and K. Edamatsu
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 122 号: 7 ページ: 071101-071101
  • DOI: 10.1103/physrevlett.122.071101
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Measurement of optical losses in a high-finesse 300 m filter cavity for broadband quantum noise reduction in gravitational-wave detectors (2018)
  • 著者名/発表者名: E. Capocasa, Y. Guo, M. Eisenmann, Y. Zhao, A. Tomura, K. Arai, Y. Aso, M. Marchio, L. Pinard, P. Prat, K. Somiya, R. Schnabel, M. Tacca, R. Takahashi, D. Tatsumi, M. Leonardi, M. Barsuglia, and R. Flaminio
  • 雑誌名: Phys. Rev. D 巻: 98 号: 2 ページ: 022010-022010
  • DOI: 10.1103/physrevd.98.022010
  • 査読あり / 国際共著