光リング共振器を用いた光速異方性の全成分探査

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H01224
• 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)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: ローレンツ不変性 / 異方性 / 光共振器 / 標準理論 / 相対性理論 / 干渉計 / レーザー / 対称性

研究実績の概要

本研究では2つの非対称光リング共振器を用いて、回転させながらその共振周波数差を測定することで、世界最高精度での光速の異方性探査を行う。光速の異方性探査は、光子のローレンツ不変性の破れ探査に相当する。ローレンツ不変性は全ての物理学の基礎となっているが、統一理論に向けた理論的研究や宇宙観測から破れの可能性が示唆されている。これまでの光速の異方性探査は直交方向で往復する光速の差を測定する実験と光速の行き帰りの差を測定する実験に分かれていたが、本研究では両者の手法を組み合わせることにより世界初の全成分探査を行う。
我々はこれまで、試作機を用いて光速の行き帰りの差に対しては世界最高精度となる6×10^{-15}の上限値を得ている。現在の精度は装置の回転に伴う雑音に制限されており、精度向上のためには振動感度が低い光学系の開発と振動の少ない回転台の開発が必要である。2019年度は、これまで開発してきた、振動感度の低いモノリシック光学系を大型化した回転台の上に載せ、初の統合試験を行った。新しい回転台では、電源供給と回転ステージを一体化することで、一方向の安定な連続回転を実現した。回転台の上に電源系、レーザー光源、光学系、制御系、データ取得系を固定する構造を製作した。
静止時と回転時の雑音レベルを比較したところ、ほぼ変わらない感度を得ることに成功した。フロアレベルとしては、回転周波数である0.1 Hzで4e-13 /rtHz程度の相対周波数感度を得た。これはこれまでの回転時の雑音レベルと比べ、2桁近く小さい。一方で、回転に同期した雑音が確認され、0.1 Hzで5e-12 /rtHz程度の高さを持つ雑音ピークがあった。今のところこのピークの原因は突き止められていないが、レーザー光の偏波面回転や光強度変化、散乱光などが原因として考えられる。今後はファイバ光学系の改良や、散乱光対策などを進める予定である。

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

2019年度の当初の目的であった、光学系と回転台の統合試験を行うことができ、すでに先行研究を上回る性能を達成することができた。回転に同期する雑音の低減を進めなければならないものの、観測運転に向けて順調に進展していると言える。

今後の研究の推進方策

当初の計画通り、2020年度は雑音の低減を行っていく。回転に同期する雑音が十分小さくなり次第、観測運転を開始する。

研究成果

• [雑誌論文] An arm length stabilization system for KAGRA and future gravitational-wave detectors (2020)
  • 著者名/発表者名: KAGRA Collaboration
  • 雑誌名: Classical and Quantum Gravity 巻: 37 ページ: 035004～035004
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6382/ab5c95
  • 査読あり
• [雑誌論文] Attonewton-meter torque sensing with a macroscopic optomechanical torsion pendulum (2020)
  • 著者名/発表者名: Komori Kentaro、Enomoto Yutaro、Ooi Ching Pin、Miyazaki Yuki、Matsumoto Nobuyuki、Sudhir Vivishek、Michimura Yuta、Ando Masaki
  • 雑誌名: Physical Review A 巻: 101 ページ: 011802
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevA.101.011802
  • 査読あり
• [雑誌論文] DANCE: Dark matter Axion search with riNg Cavity Experiment (2020)
  • 著者名/発表者名: Michimura Yuta、Oshima Yuka、Watanabe Taihei、Kawasaki Takuya、Takeda Hiroki、Ando Masaki、Nagano Koji、Obata Ippei、Fujita Tomohiro
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 1468 ページ: 012032～012032
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1468/1/012032
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Axion Dark Matter Search with Interferometrie Gravitational Wave Detectors (2020)
  • 著者名/発表者名: Nagano Koji、Obata Ippei、Fujita Tomohiro、Michimura Yuta
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 1468 ページ: 012027～012027
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1468/1/012027
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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 ページ: 095015～095015
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6382/ab0fcb
  • 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: KAGRA Collaboration
  • 雑誌名: Classical and Quantum Gravity 巻: 36 ページ: 165008～165008
  • DOI: https://dx.doi.org/10.1088/1361-6382/ab28a9
  • 査読あり
• [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 ページ: 042001
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.100.042001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Axion Dark Matter Search with Interferometric Gravitational Wave Detectors (2019)
  • 著者名/発表者名: Nagano Koji、Fujita Tomohiro、Michimura Yuta、Obata Ippei
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 123 ページ: 111301
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.111301
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Design and experimental demonstration of a laser modulation system for future gravitational-wave detectors (2019)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Kohei、Kokeyama Keiko、Michimura Yuta、Enomoto Yutaro、Nakano Masayuki、Ge Gui-Guo、Uehara Tomoyuki、Somiya Kentaro、Izumi Kiwamu、Miyakawa Osamu、Yamamoto Takahiro、Yokozawa Takaaki、Fujikawa Yuta、Fujii Nobuyuki、Kajita Takaaki
  • 雑誌名: Classical and Quantum Gravity 巻: 36 ページ: 205009～205009
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6382/ab4489
  • 査読あり
• [雑誌論文] Space gravitational-wave antennas DECIGO and B-DECIGO (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Kawamura et al.
  • 雑誌名: International Journal of Modern Physics D 巻: 28 ページ: 1845001～1845001
  • DOI: https://doi.org/10.1142/S0218271818450013
  • 査読あり
• [雑誌論文] Influence of nonuniformity in sapphire substrates for a gravitational wave telescope (2019)
  • 著者名/発表者名: Somiya K.、Hirose E.、Michimura Y.
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 100 ページ: 082005
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.100.082005
  • 査読あり
• [学会発表] Laser Interferometric Search for Non-Standard Physics (2020)
  • 著者名/発表者名: Yuta Michimura
  • 学会等名: The First School on Quantum Sensors for Fundamental Physics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Recent news from the optical levitation experiment (2020)
  • 著者名/発表者名: Yuta Michimura
  • 学会等名: The 2nd QFilter Workshop
  • 国際学会
• [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 (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, 宮崎祐樹, 松本伸之 道村唯太, 安東正樹
  • 学会等名: 日本物理学会第75回年次大会
• [学会発表] 光輻射圧による鏡の光学浮上法の安定性検証 (2020)
  • 著者名/発表者名: 喜多直紀, 川﨑拓也, 長野晃士, 牛場崇文, 道村唯太, 松本伸之, 安東正樹
  • 学会等名: 日本物理学会第75回年次大会
• [学会発表] Prospects for upgrading the KAGRA gravitational wave telescope (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuta Michimura for the KAGRA Collaboration
  • 学会等名: 13th Edoardo Amaldi Conference on Gravitational Waves
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Laser Interferometry for Gravitational Wave Observations (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuta Michimura
  • 学会等名: TianQin Summer School on Gravitational Waves 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] DANCE: Dark matter Axion search with riNg Cavity Experiment (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuta Michimura, Yuka Oshima, Taihei Watanabe, Takuya Kawasaki, Hiroki Takeda, Koji Nagano, Masaki Ando, Ippei Obata, Tomohiro Fujita
  • 学会等名: 16th International Conference on Topics in Astroparticle and Underground Physics
  • 国際学会
• [学会発表] Improving the sensitivity of KAGRA gravitational wave detector (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuta Michimura for the KAGRA Collaboration
  • 学会等名: Gravitational Wave Physics and Astronomy Workshop 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Present status and future prospects of KAGRA gravitational wave telescope (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuta Michimura for the KAGRA Collaboration
  • 学会等名: Multi-dimensional Modeling and Multi-Messenger observation from Core-Collapse Supernovae
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] レーザー干渉計によるアクシオン暗黒物質の探索 (2019)
  • 著者名/発表者名: 道村唯太、大島由佳、渡邊泰平、長野晃士、川﨑拓也、安東正樹、小幡一平、藤田智弘
  • 学会等名: ダークマターの懇談会2019
• [学会発表] km級宇宙レーザー干渉計による重力波望遠鏡の可能性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 道村唯太、長野晃士、伊藤琢博、和泉究、五十里哲、安東正樹
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [学会発表] 重力波観測と量子技術 (2019)
  • 著者名/発表者名: 道村唯太
  • 学会等名: 応用物理学会・量子エレクトロニクス研究会「宇宙量子エレクトロニクス」
  • 招待講演
• [学会発表] 小型宇宙重力波望遠鏡の提案 (2019)
  • 著者名/発表者名: 道村唯太、長野晃士、伊藤琢博、和泉究、五十里哲、安東正樹
  • 学会等名: 第18回DECIGOワークショップ
• [学会発表] レーザー干渉計による重力波観測の現状と将来展望 (2019)
  • 著者名/発表者名: 道村唯太
  • 学会等名: 第32回 理論懇シンポジウム「天文学・宇宙物理学の変遷と新時代の幕開」
  • 招待講演
• [学会発表] 光輻射圧による鏡の光学浮上技術の開発(11) (2019)
  • 著者名/発表者名: 喜多直紀, 川﨑拓也, 長野晃士, 牛場崇文, 道村唯太, 松本伸之, 安東正樹
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [学会発表] 線形光共振器による量子輻射圧ゆらぎの観測実験 (2019)
  • 著者名/発表者名: 川﨑拓也, 小森健太郎, 榎本雄太郎, Ooi Ching Pin, 宮崎祐樹, 松本伸之, 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] 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
• [図書] 「低温レーザー干渉計で地下から重力波をとらえる－大型低温重力波望遠鏡KAGRAの挑戦－」 『物理科学, この1年 2020』 (2020)
  • 著者名/発表者名: 道村唯太 (パリティ編集委員会、大槻義彦)
  • 総ページ数: 166
  • 出版者: 丸善出版
  • ISBN: 978-4-621-30486-0
• [備考] Yuta Michimura
  • URL: http://granite.phys.s.u-tokyo.ac.jp/michimura/