重力波望遠鏡とレーザー干渉計実験による超軽量ダークマター探索

2020 年度 実績報告書

• 研究領域: ダークマターの正体は何か？－ 広大なディスカバリースペースの網羅的研究
• 研究課題/領域番号: 20H05854
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 道村 唯太 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (80747006)
• 研究分担者: 藤田 智弘 東京大学, 宇宙線研究所, 特任研究員 (20815857) ; LEONARDI MATTEO 国立天文台, 重力波プロジェクト, 助教 (90816448) ; 三代木 伸二 東京大学, 宇宙線研究所, 准教授 (20302680)
• 研究期間 (年度): 2020-11-19 – 2025-03-31
• キーワード: ダークマター / 暗黒物質 / レーザー / 干渉計 / 偏光 / アクシオン / ゲージボゾン / 光共振器

研究実績の概要

本研究の目的は、大型のレーザー干渉計型重力波望遠鏡と小規模な光共振器の双方を用いて、ダークマターの正体に実験的に迫ることである。特に宇宙論の観点から高い注目を浴びている、1e-11 eV程度以下の質量を持つ超軽量ダークマターに着目する。光子とわずかに相互作用するアクシオンや、レーザー干渉計を構成する鏡にわずかな力を与えるゲージボゾンといった未発見粒子に着目し、偏光計測や変位計測によりこれらの探索を行う。
2020年度は、KAGRAの観測データを用いたゲージボゾン探索のためのデータ解析パイプラインの開発や、光リング共振器を用いたアクシオン探索のための装置開発を行った。
KAGRAは2020年2月から4月まで、自身初となる観測運転を行った。当時の感度では、未探索領域のゲージボゾン探索は不可能であるが、実データを用いて、データ解析パイプラインの開発を進めた。特に、信号雑音比を計算する際に必要となる、検出器雑音を評価するためのパラメータ調整や、偽信号除去のためのアルゴリズム開発を進めた。また、複数の干渉計信号を用いたデータ処理や、ダークマター信号の確立性を考慮した上限値の計算手法を開発した。
光リング共振器の開発では、これまで開発してきたプロトタイプの改良のために、共振器を構成する鏡をより高品質なものに交換した。これにより、フィネスを5倍程度向上させることに成功した。また、実験セットアップを覆う遮光シールドの導入や、デジタル制御系を用いた共振器の自動ロックシステムの導入を行った。これにより、60時間以上の連続動作や自動ロックが可能となり、長期間測定に向けた準備が整った。さらに、より高出力なレーザーを導入するために、新しい実験室とクリーンブースの整備を進めた。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

2020年度の目標を全て達成しており、2021年度の光リング共振器によるアクシオン初期観測運転や、KAGRAの初の実データ解析に向けて順調に進展している。

今後の研究の推進方策

引き続き、計画通り研究を進める。2020年度に新しい実験室の整備が進み、2021年度から研究員を雇用するため、今後はこれまで以上に研究を推進できると期待できる。

研究成果

• [雑誌論文] Overview of KAGRA: KAGRA science (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Akutsu et al.
  • 雑誌名: Progress of Theoretical and Experimental Physics 巻: 2021 ページ: 05A103
  • 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] Overview of KAGRA: Calibration, detector characterization, physical environmental monitors, and the geophysics interferometer (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Akutsu et al.
  • 雑誌名: Progress of Theoretical and Experimental Physics 巻: 2021 ページ: 05A102
  • DOI: 10.1093/ptep/ptab018
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Overview of KAGRA: Detector design and construction history (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Akutsu et al.
  • 雑誌名: Progress of Theoretical and Experimental Physics 巻: 2021 ページ: 05A101
  • DOI: 10.1093/ptep/ptaa125
  • 査読あり / オープンアクセス / 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 ページ: 85018
  • DOI: 10.1088/1361-6382/abed60
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cryogenic suspension design for a kilometer-scale gravitational-wave detector (2021)
  • 著者名/発表者名: Takafumi Ushiba et al.
  • 雑誌名: Classical and Quantum Gravity 巻: 38 ページ: 85013
  • DOI: 10.1088/1361-6382/abe9f3
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Improved sensitivity of interferometric gravitational-wave detectors to ultralight vector dark matter from the finite light-traveling time (2021)
  • 著者名/発表者名: Soichiro Morisaki, Tomohiro Fujita, Yuta Michimura, Hiromasa Nakatsuka, Ippei Obata
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 103 ページ: L051702
  • DOI: 10.1103/physrevd.103.l051702
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Vibration isolation systems for the beam splitter and signal recycling mirrors of the KAGRA gravitational wave detector (2021)
  • 著者名/発表者名: KAGRA Collaboration
  • 雑誌名: Classical and Quantum Gravity 巻: 38 ページ: 65011
  • DOI: 10.1088/1361-6382/abd922
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Current status of space gravitational wave antenna DECIGO and B-DECIGO (2021)
  • 著者名/発表者名: Seiji Kawamura et al.
  • 雑誌名: Progress of Theoretical and Experimental Physics 巻: 2021 ページ: ptab019
  • DOI: 10.1093/ptep/ptab019
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Improvement of the Target Sensitivity in DECIGO by Optimizing Its Parameters for Quantum Noise Including the Effect of Diffraction Loss (2021)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Ishikawa, Shoki Iwaguchi, Yuta Michimura, Masaki Ando, Rika Yamada, Izumi Watanabe, Koji Nagano, Tomotada Akutsu, Kentaro Komori, Mitsuru Musha, Takeo Naito, Taigen Morimoto, Seiji Kawamura
  • 雑誌名: Galaxies 巻: 9 ページ: 14
  • DOI: 10.3390/galaxies9010014
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Quantum Noise in a Fabry-Perot Interferometer Including the Influence of Diffraction Loss of Light (2021)
  • 著者名/発表者名: Shoki Iwaguchi, Tomohiro Ishikawa, Masaki Ando, Yuta Michimura, Kentaro Komori, Koji Nagano, Tomotada Akutsu, Mitsuru Musha, Rika Yamada, Izumi Watanabe, Takeo Naito, Taigen Morimoto, Seiji Kawamura
  • 雑誌名: Galaxies 巻: 9 ページ: 9
  • DOI: 10.3390/galaxies9010009
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Optical trapping of the transversal motion for an optically levitated mirror (2020)
  • 著者名/発表者名: Takuya Kawasaki, Naoki Kita, Koji Nagano, Shotaro Wada, Yuya Kuwahara, Masaki Ando, Yuta Michimura
  • 雑誌名: Physical Review A 巻: 102 ページ: 53520
  • DOI: 10.1103/physreva.102.053520
  • 査読あり
• [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 ページ: 115001
  • DOI: 10.1063/5.0022242
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Ultralight vector dark matter search with auxiliary length channels of gravitational wave detectors (2020)
  • 著者名/発表者名: Yuta Michimura, Tomohiro Fujita, Soichiro Morisaki, Hiromasa Nakatsuka, Ippei Obata
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 102 ページ: 102001
  • DOI: 10.1103/physrevd.102.102001
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Prospects for observing and localizing gravitational-wave transients with Advanced LIGO, Advanced Virgo and KAGRA (2020)
  • 著者名/発表者名: KAGRA Collaboration, LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration
  • 雑誌名: Living Reviews in Relativity 巻: 23 ページ: 3
  • DOI: 10.1007/s41114-020-00026-9
  • 査読あり / 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 ページ: ptaa124
  • DOI: 10.1093/ptep/ptaa124
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Prospects for improving the sensitivity of the cryogenic gravitational wave detector KAGRA (2020)
  • 著者名/発表者名: Yuta Michimura et al.
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 102 ページ: 22008
  • DOI: 10.1103/physrevd.102.022008
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Quantum sensing with milligram scale optomechanical systems (2020)
  • 著者名/発表者名: Yuta Michimura, Kentaro Komori
  • 雑誌名: The European Physical Journal D 巻: 74 ページ: 126
  • DOI: 10.1140/epjd/e2020-10185-5
  • 査読あり
• [雑誌論文] Optimization of quantum noise by completing the square of multiple interferometer outputs in quantum locking for gravitational wave detectors (2020)
  • 著者名/発表者名: Rika Yamada, Yutaro Enomoto, Atsushi Nishizawa, Koji Nagano, Sachiko Kuroyanagi, Keiko Kokeyama, Kentaro Komori, Yuta Michimura, Takeo Naito, Izumi Watanabe, Taigen Morimoto, Masaki Ando, Akira Furusawa, Seiji Kawamura
  • 雑誌名: Physics Letters A 巻: 384 ページ: 126626
  • DOI: 10.1016/j.physleta.2020.126626
  • 査読あり
• [雑誌論文] Application of independent component analysis to the iKAGRA data (2020)
  • 著者名/発表者名: KAGRA Collaboration
  • 雑誌名: Progress of Theoretical and Experimental Physics 巻: 2020 ページ: 053F01
  • DOI: 10.1093/ptep/ptaa056
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Status of KAGRA: Instrument Updates for O4 (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuta Michimura
  • 学会等名: LIGO-Virgo-KAGRA Collaboration Meeting March 2021
  • 国際学会
• [学会発表] Levitating Optomechanics: Optical Levitation (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuta Michimura
  • 学会等名: LIGO-Virgo-KAGRA Collaboration Meeting March 2021
  • 国際学会
• [学会発表] Laser interferometric searches for ultralight dark matter (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuta Michimura
  • 学会等名: Transformative Research Area "Dark Matter" Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] 光リング共振器を用いたアクシオン暗黒物質の探索実験 DANCE (4)：長時間測定に向けた制御法の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 藤本拓希, 大島由佳, 道村唯太, 長野晃士, 小幡一平, 藤田智弘, 安東正樹
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会
• [学会発表] 光リング共振器を用いたアクシオン暗黒物質の探索実験 DANCE (5)：信号の較正と感度の評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 大島由佳, 藤本拓希, 渡邊泰平, 道村唯太, 長野晃士, 小幡一平, 藤田智弘, 安東正樹
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会
• [学会発表] Dark matter Axion search with riNg Cavity Experiment DANCE: Current sensitivity (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuka Oshima, Hiroki Fujimoto, Taihei Watanabe, Yuta Michimura, Koji Nagano, Ippei Obata, Tomohiro Fujita, Masaki Ando
  • 学会等名: Rencontres de Moriond on Gravitation 2021
  • 国際学会
• [学会発表] Dark matter Axion search with riNg Cavity Experiment DANCE: Development of control system for long-term measurement (2021)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Fujimoto, Yuka Oshima, Yuta Michimura, Koji Nagano, Ippei Obata, Tomohiro Fujita, Masaki Ando
  • 学会等名: Rencontres de Moriond on Gravitation 2021
  • 国際学会
• [学会発表] Expectations for Sensitivity of KAGRA in O4 (2020)
  • 著者名/発表者名: Yuta Michimura
  • 学会等名: 7th KAGRA International Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] Future Plans for KAGRA Facility (2020)
  • 著者名/発表者名: Yuta Michimura
  • 学会等名: KAGRA-OzGrav Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Summary of Sensitivity Estimate for O4 in Various Interferometer Configurations (2020)
  • 著者名/発表者名: Yuta Michimura
  • 学会等名: KAGRA 2020 May Telecon
  • 国際学会
• [学会発表] SILVIAによる重力波観測の可能性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 道村唯太
  • 学会等名: 第19回DECIGOワークショップ
• [学会発表] 超精密フォーメーションフライト実証機SILVIAによる重力波観測の可能性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 道村唯太, 五十里哲, 安東正樹, 伊藤琢博, 河野功, 船木一幸, 坂井真一郎, 和泉究, 長野晃士, 佐藤修一, 武者満, 佐藤訓志, 山田克彦, 松尾太郎, 金田英宏, 川村静児, 阿久津智忠, 正田亜八香, SILVIA 検討グループ
  • 学会等名: 第64回宇宙科学技術連合講演会
• [学会発表] レーザー干渉計型重力波検出器による超軽量ダークマター探索 (2020)
  • 著者名/発表者名: 道村唯太, 川﨑拓也, 長野晃士, 松本伸之, 小幡一平, 藤田智弘, 森崎宗一郎, 中塚洋佑
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] Towards suspension noise measurements of crystalline fibres at cryogenic temperatures for torsion pendulums (2020)
  • 著者名/発表者名: Ching Pin Ooi, Takano Satoru, Yuta Michimura, Masaki Ando
  • 学会等名: The 3rd International Forum on Quantum Metrology and Sensing
  • 国際学会
• [学会発表] Quantum radiation pressure fluctuation in a linear optical cavity (2020)
  • 著者名/発表者名: Takuya Kawasaki
  • 学会等名: The 3rd International Forum on Quantum Metrology and Sensing
  • 国際学会
• [学会発表] Dark matter Axion search with riNg Cavity Experiment DANCE: Development of automated cavity locking system (2020)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Fujimoto, Yuka Oshima, Yuta Michimura, Koji Nagano, Ippei Obata, Tomohiro Fujita, Masaki Ando
  • 学会等名: 7th KAGRA International Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] Dark matter Axion search with riNg Cavity Experiment DANCE: Signal calibration and sensitivity evaluation (2020)
  • 著者名/発表者名: Yuka Oshima, Taihei Watanabe, Hiroki Fujimoto, Yuta Michimura, Koji Nagano, Ippei Obata, Tomohiro Fujita, Masaki Ando
  • 学会等名: 7th KAGRA International Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] The current status of DANCE: Dark matter Axion search with riNg Cavity Experiment (2020)
  • 著者名/発表者名: Yuka Oshima, Taihei Watanabe, Hiroki Fujimoto, Yuta Michimura, Koji Nagano, Ippei Obata, Tomohiro Fujita, Masaki Ando
  • 学会等名: Kashiwa Dark Matter Symposium 2020
  • 国際学会
• [学会発表] アクシオン暗黒物質探索のための光リング共振器の製作と制御 (2020)
  • 著者名/発表者名: 大島由佳, 渡邊泰平, 道村唯太, 長野晃士, 小幡一平, 藤田智弘, 安東正樹
  • 学会等名: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [学会発表] 光共振器における古典強度雑音を用いた反作用雑音低減の実証II (2020)
  • 著者名/発表者名: 川﨑拓也, 小森健太郎, 榎本雄太郎, Ooi Ching Pin, 松本伸之, 道村唯太, 安東正樹
  • 学会等名: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [備考] Yuta Michimura
  • URL: https://granite.phys.s.u-tokyo.ac.jp/michimura/