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

2022 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), 客員共同研究員 (80747006)
• 研究分担者: 藤田 智弘 早稲田大学, 高等研究所, 講師(任期付) (20815857) ; LEONARDI MATTEO 国立天文台, 重力波プロジェクト, 特別客員研究員 (90816448) ; 三代木 伸二 東京大学, 宇宙線研究所, 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

2022年度は、KAGRAの観測データを用いたゲージボゾン探索を進めた。光リング共振器を用いたアクシオン探索においては、2021年5月に行った試験運転の観測データを解析し、初の上限値を設定した(arXiv:2303.035947)。また、光リング共振器のアップグレードを進め、2021年5月の試験運転時に比べ、2桁以上の感度向上に成功した。
ゲージボゾン探索では、KAGRAの2020年の観測データを用いている。これまでは約7時間のデータを用いた試験的なデータ解析を行っていたが、より長時間のデータを利用した本格的な解析を進めた。ゲージボゾンの結合定数の算出には、鏡の物質の違いによる効果、レーザー光が3 kmの腕を往復するのにかかる有限の時間の効果、鏡の位置によってゲージボゾンの場の位相が異なる効果の3つを正しく入れる必要がある。最初の2点についてはすでに解析に取り入れたが、3点目については、ゲージボゾン場の偏極や進行方向といった方向依存性を考慮に入れる必要があり、そのための計算コードの開発を進めた。解析結果は2023年6月にLIGO-Virgo-KAGRAコラボレーション内でレビューされ、その後公表予定である。
光リング共振器を用いたアクシオン探索実験DANCEにおいては、2021年5月行った12日間に及ぶ試験運転からの観測データの解析を進めた。特に安定だった最初の24時間分のデータを利用して、4e-16 eVから2e-12 eVまでの3桁以上に渡る広範な質量領域に上限値をつけることに成功した。先行研究の上限値を更新することはできなかったものの、磁場を使わずに光共振器で探索した結果としては世界初の上限値である。
この試験運転時には、s偏光とp偏光が光リング共振器に同時に共振しないという問題があったが、補助共振器を導入することにより同時共振が可能となるように改良した。補助共振器の振動雑音を差し引くことなどにより、これまでに2桁以上の感度向上に成功している。

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

2022年度は、DANCEの初期観測運転の結果をまとめることができ、KAGRAの実データ解析も順調に進んでいる。DANCEの装置改良も進み、おおむね順調に進展していると言える。

今後の研究の推進方策

LIGO-Virgo-KAGRAコラボレーションでのO4観測開始が2023年5月と遅れたものの、2023年度は重力波検出器では世界初となるアクシオン観測データが取得できる予定であり、それに向けてデータ較正手法やデータ解析パイプラインの整備を推進する。DANCEにおいても、様々な雑音低減やアップグレードを進め、引き続き研究を推進していく。

研究成果

• [雑誌論文] First-step experiment for sensitivity improvement of DECIGO: Sensitivity optimization for simulated quantum noise by completing the square (2023)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Ishikawa, Yuki Kawasaki, Kenji Tsuji, Rika Yamada, Izumi Watanabe, Bin Wu, Shoki Iwaguchi, Ryuma Shimizu, Kurumi Umemura, Koji Nagano, Yutaro Enomoto, Kentaro Komori, Yuta Michimura, Akira Furusawa, Seiji Kawamura
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 107 ページ: 022007
  • DOI: 10.1103/physrevd.107.022007
  • 査読あり
• [雑誌論文] Displacement-noise-free interferometeric gravitational-wave detector using unidirectional neutrons with four speeds (2022)
  • 著者名/発表者名: Shoki Iwaguchi, Atsushi Nishizawa, Yanbei Chen, Yuki Kawasaki, Tomohiro Ishikawa, Masaaki Kitaguchi, Yutaka Yamagata, Bin Wu, Ryuma Shimizu, Kurumi Umemura, Kenji Tsuji, Hirohiko Shimizu, Yuta Michimura, Seiji Kawamura
  • 雑誌名: Physics Letters A 巻: 458 ページ: 128581
  • DOI: 10.1016/j.physleta.2022.128581
  • 査読あり
• [雑誌論文] Input optics systems of the KAGRA detector during O3GK (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Akutsu et al.
  • 雑誌名: Progress of Theoretical and Experimental Physics 巻: 2022 ページ: ptac166
  • DOI: 10.1093/ptep/ptac166
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photothermal effect in macroscopic optomechanical systems with an intracavity nonlinear optical crystal (2022)
  • 著者名/発表者名: Sotatsu Otabe, Kentaro Komori, Ken-ichi Harada, Kaido Suzuki, Yuta Michimura, Kentaro Somiya
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 30 ページ: 42579
  • DOI: 10.1364/oe.474621
  • 査読あり
• [雑誌論文] Can the phase of radiation pressure fluctuations be flipped in a single path for laser interferometric gravitational wave detectors? (2022)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Ishikawa, Shoki Iwaguchi, Bin Wu, Izumi Watanabe, Yuki Kawasaki, Ryuma Shimizu, Yutaro Enomoto, Yuta Michimura, Akira Furusawa, Seiji Kawamura
  • 雑誌名: Physics Letters A 巻: 453 ページ: 128485
  • DOI: 10.1016/j.physleta.2022.128485
  • 査読あり
• [雑誌論文] Conceptual design and science cases of a juggled interferometer for gravitational wave detection (2022)
  • 著者名/発表者名: Bin Wu, Tomohiro Ishikawa, Shoki Iwaguchi, Ryuma Shimizu, Izumi Watanabe, Yuki Kawasaki, Yuta Michimura, Shuichiro Yokoyama, Seiji Kawamura
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 106 ページ: 042007
  • DOI: 10.1103/physrevd.106.042007
  • 査読あり
• [雑誌論文] Angular trapping of a linear-cavity mirror with an optical torsional spring (2022)
  • 著者名/発表者名: Takuya Kawasaki, Kentaro Komori, Hiroki Fujimoto, Yuta Michimura, Masaki Ando
  • 雑誌名: Physical Review A 巻: 106 ページ: 013514
  • DOI: 10.1103/physreva.106.013514
  • 査読あり
• [雑誌論文] Performance of the KAGRA detector during the first joint observation with GEO600 (O3GK) (2022)
  • 著者名/発表者名: Collaboration KAGRA et al.
  • 雑誌名: Progress of Theoretical and Experimental Physics 巻: 2022 ページ: ptac093
  • DOI: 10.1093/ptep/ptac093
  • 査読あり
• [雑誌論文] Neutron displacement noise-free interferometer for gravitational-wave detection (2022)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Nishizawa, Shoki Iwaguchi, Yanbei Chen, Taigen Morimoto, Tomohiro Ishikawa, Bin Wu, Izumi Watanabe, Yuki Kawasaki, Ryuma Shimizu, Hirohiko Shimizu, Masaaki Kitaguchi, Yuta Michimura, Seiji Kawamura
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 105 ページ: 124017
  • DOI: 10.1103/physrevd.105.124017
  • 査読あり
• [雑誌論文] The Current Status and Future Prospects of KAGRA, the Large-Scale Cryogenic Gravitational Wave Telescope Built in the Kamioka Underground (2022)
  • 著者名/発表者名: Homare Abe et al.
  • 雑誌名: Galaxies 巻: 10 ページ: 63
  • DOI: 10.3390/galaxies10030063
  • 査読あり
• [雑誌論文] Displacement-noise-free neutron interferometer for gravitational wave detection using a single Mach-Zehnder configuration (2022)
  • 著者名/発表者名: Shoki Iwaguchi, Atsushi Nishizawa, Yanbei Chen, Yuki Kawasaki, Masaaki Kitaguchi, Taigen Morimoto, Tomohiro Ishikawa, Bin Wu, Izumi Watanabe, Ryuma Shimizu, Hirohiko Shimizu, Yuta Michimura, Seiji Kawamura
  • 雑誌名: Physics Letters A 巻: 441 ページ: 128150
  • DOI: 10.1016/j.physleta.2022.128150
  • 査読あり
• [雑誌論文] Polarization test of gravitational waves from compact binary coalescences (2022)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Takeda, Yuta Michimura, Kentaro Komori, Masaki Ando, Atsushi Nishizawa, Koji Nagano, Kazuhiro Hayama
  • 雑誌名: The Fifteenth Marcel Grossmann Meeting 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1142/9789811258251_0247
  • 査読あり
• [雑誌論文] Prospects for improving the sensitivity of KAGRA gravitational wave detector (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuta Michimura et al.
  • 雑誌名: The Fifteenth Marcel Grossmann Meeting 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1142/9789811258251_0236
  • 査読あり
• [雑誌論文] Constructing test bench for integration tests of components developed for DECIGO and B-DECIGO (2022)
  • 著者名/発表者名: Koji Nagano, Tomofumi Shimoda, Yuta Michimura, Masaki Ando
  • 雑誌名: The Fifteenth Marcel Grossmann Meeting 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1142/9789811258251_0235
  • 査読あり
• [雑誌論文] Model-based Cross-correlation Search for Gravitational Waves from the Low-mass X-Ray Binary Scorpius X-1 in LIGO O3 Data (2022)
  • 著者名/発表者名: R. Abbott et al.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Letters 巻: 941 ページ: L30
  • DOI: 10.3847/2041-8213/aca1b0
  • 査読あり
• [雑誌論文] Search for continuous gravitational wave emission from the Milky-Way center in O3 LIGO-Virgo data (2022)
  • 著者名/発表者名: R. Abbott et al.
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 106 ページ: 042003
  • DOI: 10.1103/physrevd.106.042003
  • 査読あり
• [雑誌論文] First joint observation by the underground gravitational-wave detector KAGRA with GEO 600 (2022)
  • 著者名/発表者名: The LIGO Scientific Collaboration, The Virgo Collaboration, The KAGRA Collaboration
  • 雑誌名: Progress of Theoretical and Experimental Physics 巻: 2022 ページ: 063F01
  • DOI: 10.1093/ptep/ptac073
  • 査読あり
• [雑誌論文] Search for gravitational waves from Scorpius X-1 with a hidden Markov model in O3 LIGO data (2022)
  • 著者名/発表者名: R. Abbott et al.
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 106 ページ: 062002
  • DOI: 10.1103/physrevd.106.062002
  • 査読あり
• [雑誌論文] All-sky search for continuous gravitational waves from isolated neutron stars using Advanced LIGO and Advanced Virgo O3 data (2022)
  • 著者名/発表者名: R. Abbott et al.
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 106 ページ: 102008
  • DOI: 10.1103/physrevd.106.102008
  • 査読あり
• [雑誌論文] Narrowband Searches for Continuous and Long-duration Transient Gravitational Waves from Known Pulsars in the LIGO-Virgo Third Observing Run (2022)
  • 著者名/発表者名: R. Abbott et al.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 932 ページ: 133
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac6ad0
  • 査読あり
• [雑誌論文] All-sky search for gravitational wave emission from scalar boson clouds around spinning black holes in LIGO O3 data (2022)
  • 著者名/発表者名: R. Abbott et al.
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 105 ページ: 102001
  • DOI: 10.1103/physrevd.105.102001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Searches for Gravitational Waves from Known Pulsars at Two Harmonics in the Second and Third LIGO-Virgo Observing Runs (2022)
  • 著者名/発表者名: R. Abbott et al.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 935 ページ: 1
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac6acf
  • 査読あり
• [雑誌論文] Search for Gravitational Waves Associated with Gamma-Ray Bursts Detected by Fermi and Swift during the LIGO-Virgo Run O3b (2022)
  • 著者名/発表者名: R. Abbott et al.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 928 ページ: 186
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac532b
  • 査読あり
• [雑誌論文] All-sky, all-frequency directional search for persistent gravitational waves from Advanced LIGO's and Advanced Virgo's first three observing runs (2022)
  • 著者名/発表者名: R. Abbott et al.
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 105 ページ: 122001
  • DOI: 10.1103/physrevd.105.122001
  • 査読あり
• [学会発表] Laser interferometric searches for ultralight dark matter: Updates from B01 group (2023)
  • 著者名/発表者名: Yuta Michimura
  • 学会等名: Transformative Research Area "Dark Matter" FY2022 Symposium, Kavli IPMU and Online
  • 国際学会
• [学会発表] Vector Dark Matter Seach with KAGRA -updates for O3GK data analysis- (2023)
  • 著者名/発表者名: Jun'ya Kume
  • 学会等名: Transformative Research Area "Dark Matter" FY2022 Symposium, Kavli IPMU and Online
  • 国際学会
• [学会発表] First Results of Axion Dark Matter Search with DANCE (2023)
  • 著者名/発表者名: Yuka Oshima
  • 学会等名: Transformative Research Area "Dark Matter" FY2022 Symposium, Kavli IPMU and Online
  • 国際学会
• [学会発表] First Results of Axion Dark Matter Search with DANCE (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Fujimoto
  • 学会等名: Transformative Research Area "Dark Matter" FY2022 Symposium, Kavli IPMU and Online
  • 国際学会
• [学会発表] First Results of DANCE from Long-Term Observation (2023)
  • 著者名/発表者名: Yuka Oshima
  • 学会等名: Workshop on Very Light Dark Matter 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Recent Upgrades of Optical System and Data Analysis in DANCE (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Fujimoto
  • 学会等名: Workshop on Very Light Dark Matter 2023
  • 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 (8) (2023)
  • 著者名/発表者名: 藤本拓希
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [備考] Yuta Michimura
  • URL: https://yutamich.gitlab.io/
• [備考] 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
  • URL: https://member.ipmu.jp/DarkMatter/
• [学会・シンポジウム開催] Workshop on Very Light Dark Matter 2023 (2023)