低周波重力波探査のための ねじれ振り子型重力波検出器

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1 低周波重力波探査のための ねじれ振り子型重力波検出器
東京大学理学系研究科 物理学専攻坪野研究室 発表者：岡田健志 共同研究者： 安東正樹, 石徹白晃治, 麻生洋一, 坪野公夫

2 概要 目的： 地上で0.1～0.01Hz付近の低周波重力波探査 ねじれ振り子型重力波検出器の回転センサ部の干渉計に 直交位相法を使用
　ねじれ振り子型重力波検出器の回転センサ部の干渉計に 直交位相法を使用 重力波振幅に換算された検出器の雑音 現在のベストデータ： 0.11 Hzにおいて 7×10-9 [1/Hz1/2] 直交 　検出器の感度を制限している雑音について

3 Torsion-bar antenna (TOBA)
低周波(1 Hz以下) 重力波は宇宙論、天文学的に重要 (ex. 背景重力波、中間質量ブラックホール連星の合体) ・ 地上大型レーザー干渉計 地面振動と共振周波数の問題で 10 Hz以下で重力波探査ができない ・ 宇宙レーザー干渉計 多大なリソースと 長い開発時間が必要 地上で可能な新しい低周波重力波検出器を開発したい ねじれ振り子型重力波検出器 Torsion-bar antenna (TOBA) 観測帯域： Hz 衛星に比べ低コストで低リスク、地上なので修理や改良が可能

4 ねじれ振り子型重力波検出器(TOBA)の原理
干渉計型重力波検出器 TOBA GW GW x y z x y z mirror mirror Laser Torsion bar mirror mirror photodetector レーザーと鏡により距離の変化を読み取る テストマスの回転を検出 回転の読み取りはレーザー干渉計

5 先行研究 重力波に対する感度 ：0.2 Hz で 2×10-9 Hz-1/2 背景重力波のエネルギー密度 Ωgwに対して上限値
超伝導磁気浮上によって浮上した テストマスによるねじれ振り子型重力波 検出器 石徹白晃治氏　博士論文より 重力波に対する感度 ：0.2 Hz で 2×10-9 Hz-1/2 これにより 背景重力波のエネルギー密度 Ωgwに対して上限値 ：8.1×1017 Log(周波数 [Hz] )

6 回転センサに直行位相法を用いる利点 直交位相法を用いればこれが可能になる もしテストマスを制御しないで済み、さらにワイヤーで
石徹白晃治氏　博士論文より 超伝導体 -4 磁石 -5 テストマス 測定された 感度 -6 地面振動 カップリング雑音 -7 Log (重力波に対する感度 [1/Hz-1/2]) 先行研究では磁石を用いて浮上し 回転はコイル-磁石アクチュエータ によって制御 -8 -9 熱雑音 制御による雑音 -10 0.1 Hz以下で磁場雑音や制御による 雑音が感度を制限していた 磁場雑音 -11 -2 -1 1 log (周波数 [Hz]) もしテストマスを制御しないで済み、さらにワイヤーで 懸架すれば磁場雑音、制御による雑音は原理的になくなる 直交位相法を用いればこれが可能になる

7 回転センサに直行位相法を用いる利点 磁場雑音、制御の雑音なし 先行研究 今回の実験 超伝導ピン止め効果 ワイヤーで懸架し制御せず
干渉により光量が変化 マイケルソンレーザー 干渉計 先行研究 超伝導ピン止め効果 で浮上しコイル-磁石 アクチュエータで 回転を制御 今回の実験 ワイヤーで懸架し制御せず 90°位相のずれた二つの 干渉によって回転を測定（直行位相法） 磁場雑音リミットだった 位相が90°ずれた 二つの干渉 この範囲に制御 光の強さ 測定可能 テストマスの回転 磁場雑音、制御の雑音なし

8 実験装置 テストマス 長さ : 40 cm 60 cm 重さ : 160 g 波長 : 1064 nm 出力 : 4mW 目標：
直交位相法を用いて重力波に対する感度を 更新し、背景重力波に対するより強い制限 をつける タングステンワイヤー ：直径50μm 真空チャンバー レーザー 干渉計 テストマス ミラー 長さ : 40 cm 60 cm レーザー 重さ : 160 g 波長 : 1064 nm　 出力 : 4mW ターボ分子ポンプ ～ 10-4 Pa

9 実験セットアップ 干渉計信号２ 位相が90ずれた干渉信号 干渉計信号１

10 実験セットアップ 回転ステージ テストマス 干渉計

11 Φ 干渉計の信号 位相が90°ずれた二つの干渉計の信号をそれぞれ 縦軸と横軸にプロット この位相φがテストマスの回転の信号となる
２πで半波長分（532nm）に相当

12 信号をテストマスの回転に換算 干渉の位相の 時系列データ 2πずれたところを つなげて π ⇔ 532nm/テストマスの長さ
よりテストマスの 回転に換算

13 現在のベスト感度： 0.11 Hz において 7×10-9 1/Hz1/2
重力波に対する感度 共振周波数以上で　　重力波の振幅∝テストマスの回転 となるので回転雑音を重力波振幅等価雑音に換算 ２じゃなくて比例 現在のベスト感度：　0.11 Hz において　7×10-9 1/Hz1/2

14 先行研究との感度の比較 今回の測定 先行研究（超伝導磁気浮上）でのベストデータ

15 検出器の雑音 熱雑音 地面振動カップリング雑音 0.1Hz 以上： 地面振動カップリング雑音でリミット
Ωｇｗの話 0.1Hz 以上：　地面振動カップリング雑音でリミット 0.1Hz 以下：　まだ特定できていない　　 今後の課題　 ・ 0.1 Hz以下の雑音を特定し低減させ重力波に対する感度の 向上 ・ さらに大型化して到達可能な感度を見積もる

16 まとめ 不明の雑音の特定 重力波に対する感度の向上 大型化して到達可能な感度の見積もり ・ 低周波重力波探査を目的とした
ねじれ振り子型重力波検出器 ・ 回転の読み取りに直交位相法を使用 ・ 現在の感度： 0.11 Hzにおいて　7×10-9 [1/Hz1/2] ・ 今後の課題： 不明の雑音の特定 重力波に対する感度の向上 大型化して到達可能な感度の見積もり

17 END

18 信号をテストマスの回転に換算 干渉の位相の 時系列データ 2πずれたところを つなげて 2π　⇔　1064nm よりテストマスの 回転に換算

19 重力波に対する感度 ベスト感度： 0.1 Hz において 6×10-9 1/Hz1/2 共振周波数以上で 重力波の振幅∝テストマスの回転
共振周波数以上で　　重力波の振幅∝テストマスの回転 となるので回転雑音を重力波振幅等価雑音に換算 ２じゃなくて比例 ベスト感度：　0.1 Hz において　6×10-9 1/Hz1/2

20 先行研究との感度の比較 今回の測定 先行研究（超伝導磁気浮上）でのベストデータ

21 検出器の雑音 熱雑音 地面振動カップリング雑音 0.1Hz 以上： 地面振動カップリング雑音でリミット
Ωｇｗの話 0.1Hz 以上：　地面振動カップリング雑音でリミット 0.1Hz 以下：　まだ特定できていない　　 今後の課題　 ・ 0.1 Hz以下の雑音を特定し低減させ重力波に対する感度の 向上 ・ さらに大型化して到達可能な感度を見積もる